Guide technique de l’air comprimé

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Guide technique de l’air compriméNotions fondamentales, informations pratiques et conseils utiles

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Chère lectrice, cher lecteur,

Il y a plus de 2000 ans, Socrate estimait que la connais-sance était le bien le plus précieux de l’Humanité, et l’ignorance le pire des maux.

Cet axiome de l’un des pères de la philosophie occiden-tale est plus que jamais d’actualité car rien ne semble plus permanent que le changement. L’ampleur et le rythme des mutations dues aux évolutions techniques et à la mondia-lisation de l’économie appellent de nouvelles réponses et de nouvelles stratégies.

Plus que jamais nous devons relever ces défi s comme autant d’opportunités pour de futures réussites. Dans un monde de plus en plus complexe où les réseaux ne cessent de se développer, la connaissance est en passe de devenir la principale matière première de l’avenir. Le volume de connaissances explose et chaque individu ne peut se l’approprier que par l’éducation et au prix d’impor-tants efforts de formation permanente.

Dans l’air comprimé par exemple, il ne suffi t plus de savoir construire, installer et exploiter correctement des com-presseurs performants.

Pour utiliser ce vecteur d’énergie rationnellement, au-trement dit avec le meilleur rendement possible, il faut considérer le système d’air comprimé dans sa globalité. Il faut également connaître les nombreuses interactions et les facteurs qui interviennent à l’intérieur du système, et maîtriser son intégration au sein de l’entreprise.

C’est pourquoi KAESER COMPRESSEURS s’investit par de multiples moyens dans la formation permanente de ses clients. Tout au long de l’année, des spécialistes expéri-mentés de KAESER se déplacent sur tous les continents pour parler de la production performante et de l’utilisation rationnelle de l’air comprimé, lors de congrès, de confé-rences ou de séminaires. À quoi s’ajoutent de nombreux articles dans les médias les plus divers.

Ce guide vous présente un condensé de tout ce savoir. Vous y trouverez une solide introduction à la technique de l’air comprimé ainsi qu’une série de conseils pratiques pour les exploitants de stations d’air comprimé et les utilisateurs. Vous constaterez au fi l des pages qu’il suffi t parfois de petits changements dans le système d’air com-primé pour améliorer de manière signifi cative le rende-ment et la disponibilité de ce vecteur d’énergie.

Sommaire Avant-propos

Quelques notions d’air comprimé.........................................................................................................

Le traitement économique de l’air comprimé........................................................................................

Pourquoi sécher l’air comprimé ?.........................................................................................................

Purger automatiquement les condensats.............................................................................................

Le traitement fi able et économique des condensats............................................................................

Une commande de compresseur performante......................................................................................

Adapter les compresseurs à la consommation d’air comprimé.............................................................

Économiser de l’énergie avec la récupération des calories..................................................................

Créer un réseau d’air comprimé............................................................................................................

Moderniser un réseau d’air comprimé...................................................................................................

Analyse des besoins en air comprimé (ADA) – État des lieux de l’existant..........................................

Défi nir une solution économique...........................................................................................................

Refroidir effi cacement la station d’air comprimé....................................................................................

Pérenniser la fi abilité et l’optimisation des coûts...................................................................................

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Réaliser des économies avec une pression optimale...........................................................................

La bonne pression à l’utilisation............................................................................................................

Distribuer l’air comprimé........................................................................................................................

Les tuyauteries de la station d’air comprimé.........................................................................................

Bien installer les compresseurs.............................................................................................................

Ventiler la station d’air comprimé..........................................................................................................

Évacuer l’air de la station d’air comprimé..............................................................................................

Notions fondamentales

Conseils pratiques

Annexe

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Chapitre 1

Chapitre 2

Chapitre 3

Chapitre 4

Chapitre 5

Chapitre 6

Chapitre 7

Chapitre 8

Chapitre 9

Chapitre 10

Chapitre 11

Chapitre 12

Chapitre 13

Chapitre 14

Conseil n° 1

Conseil n° 2

Conseil n° 3

Conseil n° 4

Conseil n° 5

Conseil n° 6

Conseil n° 7

Annexe 1

Annexe 2

Nomogramme – Déterminer le diamètre intérieur de la tuyauterie.......................................................

Exemples de questionnaires pour le système d’économie d’énergie...................................................

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Kaeser

Dipl.-Wirtscsh.-Ing. Tina-Maria Vlantoussi-Kaeser

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P = Un x ln x √3 x cos ϕn

V2 x P2 x T1

V1 = ––––––––––––––––––– [p1 – (pD x Frel)] x T2

Puissance absorbéePspéc. = –––––––––––––––––––

Débit

Ren

dem

ent (

%)

Puissance (kW)

Champ d’application selon lerèglement européen 640/2009

Valeurs pour moteurs quadripolaires, 50 Hz

IE4IE3IE2IE1

100

65

70

75

85

80

90

95

50

55

60

0,12 1,51,10,75

0,550,40

0,370,25

0,200,18 2,2

18,515117,55,543

16013211090755545373022

400355

315200

450500 maxi 1 000

Pour l’air comprimé comme pour bien d’autres choses dans la vie, le diable se cache dans les détails et de petites causes produisent souvent de grands effets, en bien ou en mal. Examinées de près, les choses sont souvent différentes de ce qu’elles paraissent au premier abord. L’air comprimé, par exemple, peut coûter très cher s’il est produit et utilisé dans des conditions défavorables, ou au contraire être très économique dans des conditions générales bien adaptées. Dans le premier chapitre, nous nous penchons sur quatre notions de la technique d’air com-primé accompagnées de quelques remarques importantes.

1. DébitLe débit d’un compresseur est le volume d’air, ramené à la pression atmosphérique, que le compresseur injecte à l’état comprimé dans le réseau. Les normes DIN1945-1, annexe F et ISO 1217, annexe C défi nissent les méthodes de mesurage du débit. Pour mesurer le débit, on procède comme indiqué à la fi g. 1 : relever tout d’abord la température, la pression atmosphé-rique et l’humidité de l’air à l’entrée de la machine complète. La pression de service maximale, la température de l’air comprimé et le volume d’air débité sont ensuite mesurés en sortie de compresseur. Enfi n, on ramène le volume V2 mesuré à la sortie d’air

comprimé aux conditions d’aspiration, à l’aide de l’équation des gaz parfaits (cf. formule ci-dessus). Ce calcul donne le débit du compres-seur, à ne pas confondre avec le débit du bloc compresseur.

Attention:Les normes DIN 1945 et ISO 1217 seules concernent uniquement le débit du bloc.

2. Puissance utileLa puissance utile est la puissance transmise mécaniquement à l’arbre par le moteur du compresseur. Elle est à son point optimal lorsque le rendement électrique et le facteur de puissance cos φ sont exploités au maximum sans surcharge du moteur. La puissance utile optimale se situe dans la plage de puis-sance nominale qui fi gure sur la plaque constructeur du moteur électrique. Attention : Si la puissance utile s’écarte trop de la puissance nomi-nale du moteur, le compresseur gaspille de l’énergie et/ou subit une usure accrue.

3. Puissance absorbée La puissance absorbée est la puis-sance électrique consommée par le moteur du compresseur pour une sol-licitation mécanique donnée de l’arbre moteur (puissance utile). Elle est égale à la puissance utile plus les pertes de puissance du moteur, comme les pertes électriques et mécaniques dues aux roulements et à la ventilation du

moteur. La puissance absorbée au point nominal se calcule avec la for-mule ci-dessous :Un, ln, et cos ϕn fi gurent sur la plaque constructeur du moteur électrique.

4. Puissance spécifi queLa puissance spécifi que désigne le rapport entre la puissance électrique absorbée et le débit d’air fourni à une pression de service donnée (fi g. 2). La puissance électrique absorbée par un compresseur est la somme des puis-sances absorbées de tous les moteurs du compresseur, à savoir le moteur principal, le motoventilateur, le moteur de la pompe à huile, le kit hors-gel etc.

Si la puissance spécifi que est utilisée pour calculer des coûts d’exploitation, elle doit se rapporter aux bornes de la centrale complète à la pression de service maximale. Pour cela, il faut

diviser la puissance absorbée totale à la pression maximale par le débit du compresseur à cette même pression :

5. IE – la nouvelle formule des moteurs économes en énergieLa première classifi cation du rendement des moteurs triphasés asynchrones est apparue aux États-Unis en 1997 avec la loi EPACT (Energy Policy Act). L’Europe a ensuite mis en place sa propre classifi cation. Depuis 2010, les moteurs électriques sont soumis à la norme internationale IEC. Les classifi cations et le renforcement des législations ont conduit à une nette amélioration du rendement énergétique des moteurs électriques des catégories supérieures. Les moteurs à grand ren-dement offrent de gros avantages :

a) De basses températures de serviceSur les petits moteurs, les pertes de rendement internes (frottement, échauf-fement) peuvent représenter jusqu’à 20 % de la puissance absorbée, et 4 à 5 % sur les moteurs de plus de 160 kW. Les moteurs IE3/IE4 limitent l’échauffe-ment et donc les pertes (fi g. 3). Dans un moteur conventionnel en charge normale l’augmentation de la température de service est d’environ 80 K avec une réserve de température de 20 K par rapport à la classe d’iso-lation F, alors que dans les mêmes conditions, l’élévation de température d’un moteur IE ne dépassera pas 65 K environ, avec une réserve de tempéra-ture de 40 K.

b) Une plus grande longévitéLes basses températures de service réduisent la sollicitation thermique du moteur, des roulements et du bornier, d’où une plus grande longévité du moteur.

c) 6 % d’air comprimé en plus avec moins d’énergieUne moindre déperdition de chaleur se traduit par une augmentation du rende-ment. En étudiant soigneusement ses compresseurs par rapport aux moteurs

Quelques notions d’air compriméChapitre 1

Fig. 1 : Mesurage du débit selon ISO 1217 annexe C (DIN 1945 annexe F)

Fig. 2 : Schéma de principe d’un compresseur à vis, décomposition de la puissance spécifique

Fig. 3 : La nouvelle classification des moteurs électriques selon la norme IEC. Les moteurs IE3 sont obligatoires dans l’UE depuis le 01/01/2015. Une classe de rendement supérieure, la classe IE4, a été définie depuis cette date.

Aspiration d’air

Puissance absorbée

Ventilateur

Volume desortie V2

Température de sortie T2

Pressionde sortie p2

Pression de vapeur pp

Températured’aspiration T1

Pression d’aspiration p1

Humidité del’air aspiré Frel

Sortie d’air comprimé (débit)

Pertes de rendement internes, comprises dans le rendement moteur

à grand rendement, KAESER a pu aug-menter le débit des machines de 6 % et leur puissance spécifi que de 5 %. Résultat : des débits plus importants, des temps en marche plus courts et une réduction de la consommation

d’énergie par mètre cube d’air com-primé produit.

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7-X

1

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3

3

4

Parti-cules1 Eau Huile2

Milieux aseptisés et salle blanche, laiterie, brasserie

Agroalimentaire, industrie du tabac, air de transport très propre, installations chimiques

Industrie pharmaceutique, machines textiles, labora-toires photo

Peinture au pistolet, revêtement par poudre, emballage, air de réglage et instrument

Air d’usine en général, sablage avec exigences qualitatives

Grenaillage

Air de transport pour réseaux d’assainissement, sans spécification de qualité

Sélectionnez la qualité d’air comprimé correspondant à votre utilisation :

Traitement de l’air comprimé par sécheur par adsorption

Exemples d’utilisation : sélection du degré de traitement selon ISO 8573-1 (2010)

Particules solides / poussières

ClasseNombre maxi de particules de taille d

en μm, par m³ *

0,1 ≤ d ≤ 0,5 0,5 ≤ d ≤ 1,0 1,0 ≤ d ≤ 5,0

0 Consulter KAESER pour des spécifi cations personnalisées

1 ≤ 20 000 ≤ 400 ≤ 102 ≤ 400 000 ≤ 6 000 ≤ 1003 non défi ni ≤ 90 000 ≤ 1 0004 non défi ni non défi ni ≤ 10 0005 non défi ni non défi ni ≤ 100 000

Classe Concentration de particules Cp en mg/m³ *

6 0 < Cp ≤ 57 5 < Cp ≤ 10X Cp > 10

Eau

Classe Point de rosée en °C


1 ≤ – 70 °C2 ≤ – 40 °C3 ≤ – 20 °C4 ≤ + 3 °C5 ≤ + 7 °C6 ≤ + 10 °C

Classe Teneur en eau liquide CW en g/m³ *

7 CW ≤ 0,58 0,5 < CW ≤ 59 5 < CW ≤ 10X CW >10

Huile

Classe Concentration totale en huile (liquide, aérosol + gazeuse), en mg/m³ *


1 ≤ 0,012 ≤ 0,13 ≤ 1,04 ≤ 5,0X > 5,0

Classes de qualité selon ISO 8573-1(2010) :

Compresseurs à vis KAESER

DHS

DHS

DHS

DHS

KD ACT KE

KE

KB

THNFCompresseurECDT

1

1

2

1

1

1-3

1-3

1-3

1-3

1-3

1

1

1

1

2

Milieux aseptisés et salle blanche, industrie pharma-ceutique, laiterie, brasserie

Fabrication des puces élec-troniques, optique, agroali-mentaire, industrie du tabac

Cabines de peinture

Air process, industrie pharmaceutique

Air de transport très sec, peinture au pistolet, régulation de pression très précise

DHS KE

KE

KEA

KD

KD ACT

DHS

DHS

AT3 Compresseur THNF

AQUAMAT

AQUAMAT

DLB

DLB

Installation adaptée aux variations de consommation d’air comprimé

DLBFiltrationau choix AT3 KE ZK

Installation adaptée aux variations de consommation d’air comprimé

DLBFiltrationau choix T ZK

DHS

DHS

DHS

Légende

ACT Colonne à charbon actifAQUAMAT AQUAMATAT Sécheur par adsorptionDHS Système de maintien de pressionDLB Réservoir d’air compriméECD ECO-DRAINKA Filtre à charbon actif AdsorptionKB Filtre à coalescence BasicKBE Extra CombinationKD Filtre dépoussiéreur DustKE Filtre à coalescence ExtraKEA Carbon CombinationT Sécheur frigorifi queTHNF Filtre grandes poussièresZK Séparateur cyclonique

KE

KEA

DHS

KE

1) Qualité réalisable avec une tuyauterie et une mise en service exécutées dans les règles de l’art.2) Teneur totale en huile réalisable si les recommandations en matière de fl uides compresseur et d’air aspiré sont respectées.3) Des fi ltres adaptés aux hautes températures et éventuellement un refroidisseur fi nal sont indispensables en aval des sécheurs à adsorption à régénération par apport de chaleur.4) La chaîne de fi ltration Extra Combination (fi ltre KB et fi ltre KE en aval) est recommandée pour les utilisations critiques qui requièrent de l’air comprimé très pur

(p. ex. dans l’électronique ou l’optique).

Pous-sière1 Eau Huile2

UFC4

1

2

*) dans les conditions de référence 20°C, 1 bar (abs.), hygrométrie 0 %

Traitement de l’air comprimé par sécheur frigorifi que

Le traitement économique de l’air compriméChapitre 2

Quel est le compresseur le mieux adapté pour produire de l’air comprimé exempt d’huile ? Indépen-damment de ce que peut affi rmer tel ou tel constructeur, la réponse à cette question est claire : il est pos-sible d’obtenir de l’air comprimé de grande qualité, exempt huile, aussi bien avec un compresseur à vis sèches ou à pistons secs qu’avec un compresseur refroidi par huile ou par fl uide. Le choix du système doit être guidé par des critères de rendement.

1. Qu’entend-on « air compriméexempt d’huile » ?Selon la norme ISO 8573-1, l’air com-primé est considéré comme exemptd’huile si sa teneur en huile (vapeurd’huile comprise) est inférieure à0,01 mg/m³. Cela représente environ4 % de ce qui est contenu dans l’airatmosphérique. Cette quantité est sifaible qu’elle est pratiquement impos-sible à détecter. Mais qu’en est-ilde la qualité de l’air aspiré par lecompresseur ?

Elle dépend fortement de l’environne-ment : la teneur en hydrocarbures due aux émissions industrielles et à la cir-culation automobile peut se situer entre 4 et 14 mg/m³ d’air dans les zones moyennement polluées. Dans les zones industrielles où des huiles sont utilisées pour le graissage, le refroidissement et les process, la teneur en huile minérale peut à elle seule dépasser 10 mg/m³, auxquels viennent s’ajouter d’autres polluants comme les hydrocarbures, le dioxyde de soufre, les particules, les métaux et la poussière.

2. Pourquoi traiter l’air comprimé ?Le compresseur fonctionne commeun gros aspirateur qui absorbe lespolluants, les concentre du fait de lacompression puis les rejette dans leréseau en l’absence de traitement.

a) Les compresseurs« sans injection d’huile »Le fonctionnement décrit ci-dessus sevérifi e surtout pour les compresseurs àvis sèches ou à pistons secs : du faitdes polluants évoqués au paragraphe1, un compresseur simplement équipéd’un préfi ltre de 3 microns ne peutpas produire de l’air comprimé exemptd’huile. En dehors de ces préfi ltres, lescompresseurs à vis sèches ou à pistons secs ne disposent pas de composantsde traitement.

b) Les compresseurs refroidis parfl uide ou par huileDans ce type de compresseurs, lefl uide (ou l’huile) de refroidissementneutralise les polluants agressifs etévacue une partie des particules conte-nues dans l’air comprimé.

3. Traiter l’air comprimé pourmaîtriser sa qualitéMême si l’air comprimé produit estrelativement pur, son traitement estindispensable. Dans les conditionsordinaires d’aspiration d’air atmos-phérique plus ou moins pollué, lacompression, avec ou sans injectiond’huile, ne permet pas d’obtenir unequalité d’air déshuilé défi nie, conformeà ISO 8573-1.La production d’air comprimé est plusou moins économique suivant la plagede pression et de débit envisagéequi, à son tour, détermine le type decompresseur requis. Le séchage estle traitement fondamental pour touteutilisation de l’air comprimé. Généra-lement, le procédé le plus économiqueest le séchage frigorifi que économe enénergie (cf. chap. 3, p. 9).

4. Le système depurifi cation d’air KAESERLe rendement des compresseursà vis modernes, refroidis par fl uideou par huile est supérieur d’environ10 % à celui des compresseurs à vis

sèches. Le système de purifi cation d’air développé par KAESER pour les com-presseurs, qu’ils soient à vis sèches ou à injection d’huile ou de fl uide, permet jusqu’à 30 % d’économies de coûts. La teneur résiduelle en huile obtenue est inférieure à 0,003 mg/m³, soit nette-ment moins que la valeur limite fi xée par la norme ISO pour la classe de qualité 1 (pour l’huile). Ce système comprend tous les éléments de traitement néces-saires pour obtenir de l’air comprimé de la qualité requise. Suivant l’application, il fait appel à des sécheurs frigorifi ques ou à des sécheurs par adsorption (cf. chap. 3, p. 9), et à différentes com-binaisons de fi ltres. Il permet de réaliser de manière fi able et économique toutes les classes de qualité d’air comprimé défi nies par la norme ISO, de l’air sec ou sans particules jusqu’à l’air techni-quement déshuilé ou stérile (fi g. 1).

Fig. 1 : Ce schéma figure dans chaque notice commerciale des compresseurs à vis KAESER. Il permet à l’utilisateur de déterminer d’un coup d’œil la combinaison d’appareils appropriée pour son utilisation.

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Système de séchagePoint de

rosée sous pression °C

Puissance absor-bée spécifi que

typiquekW / m³/min **)

Sécheur frigorifi que + 3 0,1

HYBRITEC + 3 / – 40 *)– 40

0,20,3

Sécheur par adsorp-tion à régénération

par apport calorifi que– 40 0,5 – 0,6

Sécheur par adsorption à régénération sans

chaleur

– 20– 70 1,4 – 1,6

Fig. 2 : Plusieurs systèmes de séchage sont envi-sageables suivant le point de rosée sous pression requis

Pourquoi sécher l’air comprimé ?Chapitre 3

Le problème tient à l’hygrométrie de l’air : lorsque l’air atmosphérique se refroidit, comme c’est le cas après avoir été comprimé dans le compres-seur, la vapeur d’eau qu’il contient se condense. Un compresseur de 5 m³/min (débit rapporté à une tem-pérature ambiante de +20 °C, 70 % d’humidité relative et 1 barabs) « pro-duit » environ 30 litres d’eau sur huit heures. Il faut éliminer cette quantité d’eau du système d’air comprimé pour éviter des dysfonctionnements et des dommages aux équipements. Par conséquent, le séchage écono-mique et non polluant est une partie importante du traitement pour par-venir à de l’air comprimé adapté aux besoins.

1. Un exemple concretUn compresseur refroidi par fl uide aspire 10 m³ d’air à la minute. Ce volume d’air à la pression ambiante, à 20 °C et avec une humidité relative de 60 % contient environ 100 g de vapeur d’eau. La compression de l’air à un taux de 1:10 fournit un mètre cube d’air industriel à la pression absolue de 10 bar. L’air échauffé à 80 °C à l’issue de la compression peut retenir 290 g d’eau par mètre cube. Avec une teneur en eau de 100 g seulement, l’humidité relative n’est que de 35 %. L’air est donc relativement sec et ne produit pas de condensats. Le refroidisseur fi nal du compresseur abaisse la température

de l’air comprimé de 80 °C à environ 30 °C. Le mètre cube d’air ne peut plus retenir que 30 g d’eau ; l’excédent de 70 g/min se transforme en conden-sats qui sont évacués. Au cours d’une journée de travail de 8 heures, cela représente environ 35 litres de conden-sats, auxquels il faut ajouter 6 litres/jour si un sécheur frigorifi que est installé en aval du compresseur. Dans un pre-mier temps, l’air comprimé est refroidi à +3 °C, avant d’être ramené ultérieure-ment à la température ambiante. Il en résulte une sous-saturation en humidité de près de 20 % et par conséquent un air comprimé relativement sec, de meil-leure qualité (fi g. 1).

2. L’humidité de l’air ambiantNotre air atmosphérique est plus ou moins humide car il a toujours une certaine teneur en eau. Cette humi-dité dépend de la température. De l’air à +25 °C saturé à 100 % en vapeur d’eau contient par exemple près de 23 g d’eau par mètre cube.

3. Les condensatsLes condensats se forment lorsque l’on réduit le volume d’air et que l’on abaisse sa température. La capacité hygroscopique de l’air diminue. C’est exactement ce qui se produit après la compression dans le bloc compres-seur et dans le refroidisseur fi nal du compresseur.

4. Quelques notions importantesa) Humidité absolue de l’airL’humidité absolue indique, en g/m³, la teneur en vapeur d’eau de l’air.

b) Humidité relative de l’air (Frel)L’humidité relative de l’air indique le degré de saturation, autrement dit le rapport entre la teneur effective en vapeur d’eau et le point de saturation de l’air (100 % Frel). Ce point dépend de la température : l’air chaud peut retenir davantage de vapeur d’eau que l’air froid.

c) Point de rosée atmosphériqueLe point de rosée atmosphérique est la température à laquelle l’air a un degré de saturation en humidité (Hrel) de 100 % à la pression atmosphérique (conditions ambiantes).

d) Point de rosée sous pressionLe point de rosée sous pression est la température à laquelle l’air comprimé atteint son point de saturation en humi-dité (100 % Frel) à sa pression absolue. Pour reprendre l’exemple ci-dessus : au point de rosée sous pression de +3 °C, l’air à 10 bar (a) a une humidité absolue de 6 g par mètre cube industriel. Si l’on détend ce mètre cube d’air indus-triel de 10 bar (a) pour le ramener à la pression atmosphérique, son volume sera multiplié par dix. La teneur en vapeur d’eau est toujours de 6 g mais

elle se répartit sur un volume décuplé. Par conséquent, chaque mètre cube d’air détendu ne contient plus que 0,6 g de vapeur d’eau, ce qui correspond à un point de rosée atmosphérique de –24 °C.

5. Le séchage de l’air comprimé économique et non polluant,avec des sécheurs frigorifi ques ou par adsorption ?En dépit du renforcement de la réglementation en matière de fl uides fri-gorigènes, les sécheurs par adsorption ne peuvent concurrencer les sécheurs frigorifi ques en termes d’empreinte écologique et de coûts d’exploitation. Les sécheurs frigorifi ques ne consom-ment que 3 % de l’énergie absorbée par le compresseur pour produire l’air comprimé, contre 10 à 25 % ou plus pour les sécheurs par adsorption. Dans le cas normal, il est donc préférable d’opter pour un sécheur frigorifi que. Cependant, l’utilisation d’un sécheur par adsorption est pertinente lorsque l’air comprimé requis doit être extrê-

mement sec, avec des points de rosée de -20, -40 ou -70 °C (fi g. 2). La plu-part des systèmes d’air comprimé sont exposés à de fortes variations de la consommation au fi l de la journée. Des variations qui se vérifi ent également tout au long de l’année et auxquelles

s’ajoutent d’importantes fl uctuations de la température. Il faut donc dimen-sionner les sécheurs d’air comprimé pour les conditions les plus défavo-rables possibles : la pression la plus basse, la consommation maximale et des températures ambiantes et d’en-trée d’air comprimé très élevées. Autrefois, pour parer à ces situations, le sécheur fonctionnait en continu, d’où un grand gaspillage d’énergie, surtout en charge partielle. Les sécheurs frigo-rifi ques modernes avec une régulation marche/arrêt performante adaptent leur consommation d’énergie aux varia-tions des conditions de service tout en maintenant une qualité d’air comprimé constante (fi g. 3). Ils permettent ainsi d’économiser plus de 50 % d’énergie en moyenne annuelle. Lorsqu’il faut assurer des points de rosée sous pression négatifs, le ren-dement énergétique du sécheur est un critère important car les sécheurs par adsorption nécessaires à cet effet sont très énergivores.

Le sécheur HYBRITEC, un système aussi économique que performant sur le plan énergétique, permet d’abaisser la consommation de manière signifi cative en combinant un sécheur frigorifi que et un sécheur par adsorption. Dans un premier temps, le sécheur frigori-fi que économe en énergie refroidit l’air comprimé à un point de rosée sous pression de +3 °C. L’air passe ensuite dans le sécheur par adsorption. Du fait du séchage préliminaire, ce sécheur dépense beaucoup moins d’énergie pour amener l’air comprimé à un point de rosée sous pression de -40 °C.

Sécheur frigorifique

48 l 35 l 6 lFig. 1 : La production, le stockage et le traitement de l’air comprimé génèrent des condensats (quantités indiquées pour 10 m³/min, 10 barabs, 8 h, 60 % Frel et 20 °C)

Fig. 3 : Potentiels d’économie d’énergie des sécheurs frigorifiques avec une régulation marche/arrêt

Pause déjeunerConsommation d’air comprimé

Cons

omm

atio

n d’

air c

ompr

imé/

Cons

omm

atio

n d’

éner

gie

Heures

Dim

ensio

nnem

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nctio

n de

la te

mpé

ra-

ture

am

bian

te

Potentiel d’économie d’énergie supplémentaire (pour un dimensionnement en fonction des températures estivales, avec par exemple une température ambiante de 40 °C)

Potentiel d’économie d’énergie SECOTEC : Au-dessous de la ligne bleue : consommation d’air comprimé

Au-dessus de la ligne bleue : Potentiel d’économie d’énergie

6 - 14 14 - 22 22 - 6

Représentation schématique de la consommation d’air comprimé sur une journée

Équipe du matin

Équipe de l’après-midi

Équipe de nuit

Potentiel d’économie d’énergie

43°C –

40°C –

35°C –

30°C –

25°C –

100 % –

90 % –

80 % –

70 % –

60 % –

50 % –

40 % –

30 % –

20 % –

10 % –

0 % –

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1110

Sortie

Raccordement du tuyau orientable

Vanne manuelle

EntréeCollecteur d'air comprimé avec une pente (2 %)

Col de cygne

Raccordement du compresseur

Piège à condensats (point bas) dans le collecteur d'air comprimé

vers le réseau d'air comprimé

Purgeur de condensats

Collecteur de condensats

Purger automatiquement les condensatsChapitre 4

Les condensats sont un sous-produit inévitable de l’air comprimé. Dans des conditions de service moyennes, un compresseur de 30 kW et d’un débit de 5 m³/min génère à peu près 20 litres de condensats en 8 heures. Ces condensats doivent être évacués du circuit d’air pour éviter des dysfonctionnements et des problèmes de corrosion. Ce chapitre présente les moyens appro-priés pour évacuer les condensats et abaisser les coûts.

1. La purge des condensatsDes condensats plus ou moins pollués se forment en différents points du circuit d’air comprimé (fi g. 1). Leur évacuation fi able est indispensable. Elle infl ue for-tement sur la qualité de l’air comprimé, la sécurité de fonctionnement et le ren-dement de la centrale.

a) Les points de collecte et de purge des condensatsLes organes mécaniques du circuit d’air comprimé sont les premiers points de collecte et d’évacuation des condensats. Ils concentrent 70 à 80 % du volume total de condensats, pour autant que le compresseur soit équipé d’un refroidisseur fi nal effi cace.

Séparateur cyclonique :Ce séparateur mécanique utilise la force centrifuge pour séparer les condensats de l’air comprimé (fi g. 2). Pour fonctionner de manière optimale, il doit toujours être raccordé à un compresseur.

Refroidisseur intermédiaire :Sur les compresseurs bi-étagés avec des refroidisseurs intermé-diaires, des condensats se forment au niveau du séparateur du refroidisseur intermédiaire.

Réservoir d’air comprimé : En plus de sa fonction première de stockage de l’air comprimé, le réser-voir sépare les condensats par gravité (fi g. 1). S’il est correctement dimen-sionné (débit compresseur/min : 3 = volume du réservoir en m³), il est aussi effi cace qu’un séparateur cyclonique. Toutefois, à la différence de celui-ci, le réservoir peut être raccordé au collec-teur central de la station d’air comprimé lorsque l’entrée d’air est en bas et la sortie d’air en haut. Grâce à sa grande surface de dissipation thermique, le réservoir refroidit l’air comprimé, ce qui favorise encore la séparation des condensats.

Points bas dans la conduite d’air comprimé :Pour éviter un écoulement non maî-trisé des condensats, la conduite d’air comprimé dans la partie humide est à prévoir de telle sorte que toutes les arrivées et tous les départs soient rac-cordés par le haut ou sur le côté.

Les condensats seront évacués de la conduite principale par des points bas prévus à cet effet, autrement dit par des piquages dirigés vers le bas. À une vitesse du fl ux d’air de 2 à 3 m/s, le point bas (fi g. 3), s’il est correctement dimensionné, est aussi effi cace qu’un

réservoir d’air comprimé pour éva-cuer les condensats présents dans la partie humide du circuit d’air comprimé (fi g. 1).

b) Le sécheur d’air compriméIl existe également des points de col-lecte et d’évacuation des condensats au niveau du séchage de l’air comprimé.

Sécheur frigorifi que :Le refroidissement de l’air comprimé, et le séchage qui en résulte, génèrent des condensats dans le sécheur frigorifi que.

Sécheur par adsorption :Le refroidissement dans la conduite d’air comprimé entraîne la formation de condensats au niveau du préfi ltre du sécheur par adsorption. Dans le sécheur par adsorption proprement dit, l’humidité se présente uniquement sous forme de vapeur du fait de la pres-sion partielle.

c) Les séparateurs décentralisésS’il n’est pas prévu de séchage centra-lisé de l’air comprimé, des condensats se forment en grandes quantités dans les séparateurs de liquide installés juste en amont des points de consommation de l’air comprimé. Ces séparateurs nécessitent un entretien intensif.

2. Les systèmes de purgeActuellement, il existe principalement trois systèmes :

a) Le purgeur à fl otteurLe purgeur à fl otteur est l’un des plus anciens systèmes de purge ; il a rem-placé la purge manuelle, coûteuse et trop aléatoire. Toutefois, du fait des particules présentes dans l’air com-primé, la purge des condensats sur le principe du fl otteur (fi g. 4) est sensible aux pannes et nécessite un entretien très fréquent.

b) L’électrovanneLes électrovannes temporisées sont certes plus fi ables que les purgeurs à fl otteur mais elles nécessitent néan-moins un contrôle périodique pour prévenir leur encrassement. Un mau-vais réglage des durées d’ouverture de la vanne peut causer des pertes d’air comprimé et par conséquent une surconsommation d’énergie.

c) Le purgeur de condensats capacitif Aujourd’hui, la plupart des purgeurs disposent d’une commande capaci-tive intelligente (fi g. 5). Le purgeur électronique remplace avantageuse-ment le fl otteur sensible aux pannes, en excluant les problèmes d’encras-sement ou d’usure mécanique. Les temps d’ouverture de la vanne adaptés et calculés avec précision évitent toute perte d’air comprimé. Entre autres avantages, le purgeur capacitif pos-sède une fonction d’auto-surveillance automatique et permet la transmission de signalisations à un système de contrôle-commande centralisé.

d) Une installation bien étudiéeIl faut toujours prévoir un tuyau court avec une vanne d’arrêt entre le sys-tème de séparation des condensats et le purgeur (fi g. 2 et 3).

Fig. 3 : Point bas avec purgeur de condensats dans la partie humide du circuit d’air comprimé

Fig. 2 : Séparateur cyclonique avec purgeur de condensats

Fig. 4 : Purgeur de condensats à flotteur

Fig. 5 : Purgeur de condensats électronique capacitif (type ECO-DRAIN)

Aquamat

ECO-DRAIN

vers le réseau d’air comprimé

Fig. 1 : Des condensats se forment en certains points du circuit d’air comprimé

Cela permet d’isoler le purgeur pour effectuer les travaux d’entretien sans perturber le fonctionnement de la sta-tion d’air comprimé.

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Le traitement fi able et économique des condensatsChapitre 5

Les condensats qui accompagnent inévitablement la production d’air comprimé ne sont pas simplement de la vapeur d’eau condensée. Le compresseur fonctionne comme un gros aspirateur : il absorbe l’air atmosphérique dont les polluants se retrouvent concentrés dans les condensats de l’air comprimé avant son traitement.

1. Pourquoi traiter les condensats ?Les utilisateurs d’air comprimé qui rejettent les condensats au tout-à-l’égout encourent de lourdes amendes car les condensats issus de la produc-tion d’air comprimé sont un mélange polluant. Du fait de la pollution atmos-phérique, ils contiennent des particules fi nes, mais aussi des hydrocarbures, du dioxyde de soufre, du cuivre, du plomb, du fer, etc. En France, l’élimination des condensats provenant des centrales d’air comprimé est régie par la loi sur l’Eau qui impose des seuils de rejets et concerne donc tous les condensats engendrés par les compresseurs, y compris les compresseurs à vis sèches.La législation défi nit des valeurs limites pour tous les polluants et pour le pH. Ces limites sont variables selon le secteur d’activité et l’implantation géo-graphique. La limite est par exemple de 20 mg/l pour les hydrocarbures, et le seuil de rejet des condensats est fi xé à un pH entre 6 et 9.

2. La nature de condensats (fi g. 1)a) DispersionLes condensats issus de l’air comprimé peuvent être de différentes natures. Les dispersions se retrouvent généra-lement dans les compresseurs à vis qui utilisent des fl uides de refroidissement synthétiques comme le Sigma Fluid S460. Normalement, ces condensats ont un pH compris entre 6 et 9, soit un pH neutre. Dans ces condensats, les polluants provenant de l’air atmosphé-rique se déposent dans une couche

d’huile qui fl otte à la surface de l’eau et qui est donc facile à séparer.

b) ÉmulsionLa présence d’une émulsion est signalée par un liquide laiteux qui, même après plusieurs jours, ne sépare pas en deux phases. Ce type de condensats se pré-sente souvent dans les compresseurs à pistons, à vis ou à palettes lubrifi és avec des huiles conventionnelles. Ici aussi, la phase huileuse de l’émulsion fi xe les polluants. Du fait de la grande stabilité de l’émul-sion, la force centrifuge ne permet pas de séparer les huiles de l’eau, ni les polluants comme les poussières ou les métaux lourds. Si les huiles contiennent des esters, les conden-sats risque d’être agressifs et il faut les neutraliser. Ce type de condensats ne peut être traité que par des systèmes de désémulsifi cation.

3. L’élimination par un prestataireL’exploitant peut évidemment collecter les condensats et les faire éliminer par une entreprise spécialisée. Cette méthode coûte toutefois entre 40 et 150 €/m³ selon la nature des conden-sats. Compte tenu des quantités en jeu, il est généralement rentable de traiter

les condensats en interne. Le traite-ment interne offre l’avantage de réduire à 0,25 % la quantité de condensats restant à éliminer conformément aux prescriptions environnementales.

4. Les méthodes de traitementa) Traitement des dispersionsPour traiter ce type de condensats, il suffi t généralement d’un séparateur à trois compartiments, dont deux com-partiments de préséparation et un compartiment de fi ltration sur charbon actif (fi g. 2). La séparation proprement dite s’effectue par gravité. La couche d’huile fl ottant en surface dans le com-partiment de séparation est conduite dans un réservoir collecteur pour être éliminée comme de l’huile usagée. L’eau restante est fi ltrée dans deux étages de fi ltration avant d’être rejetée à l’égout. La séparation gravitaire permet d’économiser environ 95 % des frais d’élimination des condensats par rapport à l’élimination par une entre-prise spécialisée. Les séparateurs actuellement dispo-nibles sur le marché sont adaptés à des débits de compresseurs jusqu’à 105 m³/min. Pour des débits plus importants, il suffi t de monter plusieurs séparateurs en parallèle.

b) Traitement des émulsionsDeux grands types d’appareils sont aujourd’hui utilisés pour traiter les émulsions stables.Les systèmes de séparation par membrane fonctionnent sur le prin-cipe de l’ultrafi ltration à fl ux croisé. Les condensats préfi ltrés s’écoulent sur les membranes.

Une partie du liquide traverse les membranes et ressort de l’appareil épurée et conforme aux seuils de rejet. Le deuxième type d’appareil utilise un agent de séparation pulvérisé qui enrobe les particules d’huile pour les agglomérer en gros fl ocons faciles à éliminer par fi ltration. Celle-ci s’effectue de manière fi able avec des fi ltres d’une largeur de maille défi nie. L’eau qui reste peut être rejetée à l’égout.

Fig. 1 : Le compresseur aspire l’air atmosphérique avec la vapeur d’eau et les polluants qu’il contient. Les condensats (fig. 1,1) contiennent donc de l’huile et des polluants qu’il faut éliminer (fig. 1, 2) pour pouvoir rejeter les condensats sous forme d’eau conforme aux seuils de rejet (fig. 1,3).

Fig. 2 : Système de séparation gravitaire des condensats issus de l’air comprimé

Chambre de détente

Réservoir de préséparation

Collecteur amovible

Réservoir collecteur d’huile

Préfi ltre

Cartouche de fi ltre principal

Sortie d’eau

Sortie pour contrôle de la turbidité

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Pres

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Une commande de compresseur performanteChapitre 6

Seule une bonne adaptation du débit des compresseurs aux variations de la consommation d’air com-primé permet de limiter les phases de charge partielle qui consom-ment beaucoup d’énergie et sont donc coûteuses pour l’exploitant. La commande joue donc un rôle clé dans le rendement énergétique du compresseur.

Lorsque les compresseurs sont uti-lisés à moins de 50 %, la cote d’alerte au gaspillage d’énergie est atteinte. De nombreux exploitants n’en ont pas conscience car leurs compresseurs ont un compteur d’heures de service, mais

pas de compteur pour les heures en charge. Les commandes bien paramé-trées peuvent remédier à ce problème : en augmentant le taux de charge à 90 % ou plus, elles permettent au moins 20 % d’économie d’énergie.

1. La commande internea) Régulation charge/marche à videLa plupart des compresseurs sont équipés de moteurs asynchrones tri-phasés. Or plus ces moteurs sont puissants, plus leur fréquence de démarrage admissible est basse. Elle ne répond pas à la fréquence requise pour démarrer et arrêter les compres-

seurs en fonction de la consommation réelle d’air comprimé, lorsque l’écart de régulation est faible. Ces commu-tations ne déchargent cependant que les parties sous pression du compres-seur. Le moteur continue de tourner par inertie pendant un certain temps (fi g.1), consommant de l’énergie en pure perte. Avec ce type de régulation, la consommation d’énergie en marche à vide représente pas moins de 20 % de la consommation en charge.

Les modes de régulation optimisés par ordinateur permettent de limiter les phases de marche à vide coû-teuses tout en protégeant le moteur : la régulation Quadro qui sélectionne automatiquement le mode de fonction-nement optimal (fi g. 2), la régulation dynamique qui gère les durées de marche à vide en fonction de la tempé-rature du moteur (fi g. 3) et la régulation Vario avec des durées de marche à vide calculées de manière variable (fi g. 4).

Les régulations progressives par étran-glement de l’aspiration ne sont pas recommandées car à 50 % du débit, le compresseur consomme 90 % de l’énergie dépensée pour débiter à 100 %.

b) Variation de vitesse par convertisseur de fréquenceLes compresseurs à vitesse variable par convertisseur de fréquence (fi g. 5) n’ont pas un rendement constant sur leur plage de réglage. Le rendement d’un moteur de 90 kW tombe par exemple de 94 % à 86 % sur la plage comprise entre 30 % et 100 %. À cela s’ajoutent les pertes internes du convertisseur de fréquence et la courbe de puissance non linéaire des compresseurs. Il faut exploiter les com-presseurs équipés d’un convertisseur de fréquence sur une plage de réglage de 40-70 % car c’est là qu’ils sont le plus économiques.

Fig. 1 : Mode Dual : régulation charge-marche à vide-arrêt avec des temps de marche à vide fixes

Fig. 2 : Mode Quadro : régulation charge-marche à vide-arrêt avec sélection automatique du mode de fonctionnement optimal

Ces composants doivent être dimen-sionnés pour 100 % de la charge. Mal utilisés, les convertisseurs de fréquence peuvent s’avérer très énergivores sans que l’exploitant ne le remarque. Le convertisseur de fréquence n’est pas la panacée pour minimiser la consomma-tion d’énergie du compresseur.

2. Classifi cation des besoins en air compriméLes compresseurs se distinguent géné-ralement par leur fonction au sein de la station : ils peuvent servir soit à couvrir la charge de base, la charge moyenne ou la charge de pointe, ou sont utilisés comme machines de secours.

a) La charge de baseLa charge de base désigne la quantité d’air comprimé requise en permanence pour couvrir l’activité de l’entreprise.

b) La charge de pointeLa charge de pointe est la quantité d’air comprimé nécessaire pendant les pointes de consommation. Elle est variable selon les équipements pneu-matiques alimentés.

Pour pouvoir répondre au mieux à ces différentes charges, les compresseurs ont besoin de commandes fl exibles. En cas de défaillance du système de gestion prioritaire, elles doivent être en mesure de maintenir le fonctionne-ment des compresseurs pour assurer la continuité de l’alimentation en air comprimé.

3. La commande prioritaireLes commandes prioritaires modernes avec leur logiciel Web permettent non seulement de coordonner les com-presseurs de la station en optimisant leurs performances énergétiques, mais également de collecter les don-nées d’exploitation pour documenter le rendement de l’alimentation en air comprimé.

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Pression de régulation

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Charge


Temps

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Marche à vide uniquement à une température moteur élevée,fréquence de démarrage maximale variable

Température du moteur

Pres

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Charge


Temps

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1 heureFréquence maximale supposée

de 6 démarrages par heure

Pres

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Fig. 5 : Réglage continu du débit par la variation de la vitesse du moteur (conversion de puissance)

Fig. 3 : Régulation dynamique basée sur le mode Dual, avec des temps de marche à vide gérés en fonction de la température du moteur

Fig. 4 : Régulation Vario avec des temps de marche à vide calculés de manière variable

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1,6 - 6,3 m³/min + 3,9 m³/min + 5,7 m³/min5,7 m³/min en veille

Répartition des compresseurs en fonction des besoins

2 x 4,5 m³/min + 8 m³/min + 5,7 m³/min +5,7 m³/min en veille

~ 95%

~ 95%

~ 60%

~ 40%

2 x 8 m³/min +8 m³/min en veille

16 m³/min +16 m³/min en veille

1ère équipe

2e équipe

3e équipe

15 m³/min

9 m³/min

4 m³/min

Une commande de compresseur performanteChapitre 6

a) Le splitting des compresseursLe splitting consiste à répartir les com-presseurs selon leur débit et leur modede régulation, en fonction de la consom-mation d’air pendant les périodes decharge de base et de pointe (fi g. 6).

b) Les tâches de la commandeprioritaireLa coordination des compresseursest une tâche délicate et complexe.La commande prioritaire doit être enmesure non seulement de mettre enservice des compresseurs de types etde puissances différents au momentopportun, mais aussi de surveiller lescompteurs d’entretien, d’équilibrer lesdurées de fonctionnement des com-presseurs et de signaler les anomaliespour abaisser les frais d’entretien de lastation d’air comprimé et améliorer sasécurité de fonctionnement.

Fig. 6 : Répartition de la charge entre des compresseurs de différents débits, en fonction de la consommation d’air

Fig. 7 : La connectivité de la commande prioritaire contribue au rendement de la station d’air comprimé

c) L’échelonnement des débitsPour être performante, autrement ditpour générer des économies d’énergie,la commande prioritaire doit êtrecapable d’échelonner les débits fournispar les compresseurs de manière àexclure les trous de régulation.Le débit total des machines pour lacharge de pointe doit être supérieurau débit du prochain compresseur àpermuter en charge de base. Si le com-presseur pour la charge de pointe està vitesse variable, sa plage de réglagedevra donc être supérieure au débit duprochain compresseur à mettre en ser-vice, faute de quoi l’alimentation en aircomprimé ne sera pas économique.

d) La transmission fi able desdonnéesLa fi abilité de la transmission des don-nées est également essentielle pour lebon fonctionnement et le rendement dela commande prioritaire.Cette fi abilité est indispensable aussibien pour l’émission des signalisations

spécifi ques à chacun des compres-seurs que pour la transmission des signalisations entre les compresseurs et la commande prioritaire. Par ailleurs, la commande prioritaire doit surveiller les connexions et les câbles de signa-lisation pour détecter immédiatement toute anomalie, comme par exemple une rupture de câble. Les voies de transmission courantes sont :1. Les contacts secs2. Les signaux analogiques 4 – 20 mA3. Les interfaces électroniques,comme par exemple RS 232, RS 485,Profi bus DP ou Ethernet.Le Profi bus est la technique la plusavancée pour transmettre rapidementde grandes quantités de données surde longues distances. Complété pardes connexions Ethernet et des liai-sons téléphoniques, le Profi bus permetde raccorder la commande prioritaireà des systèmes informatiques et dessystèmes de surveillance standard.Les systèmes de contrôle-commande

SAV KAESER

Téléphone

Tablette

Ordinateur

portable

PC

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n’ont donc pas forcément besoin d’être implantés dans la station d’air com-primé. (fi g. 7).

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CascadeRégulation sur bande de pression sans pression

nominaleSAM avec pression

nominaleSAM avec pression

requise

requise

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Défaut

défaut

Adapter les compresseurs à la consommation d’air comprimé

Chapitre 7

Les stations d’air comprimé se composent généralement de plu-sieurs compresseurs de même taille ou de tailles différentes. Pour les coordonner, il faut une commande prioritaire qui adapte la production d’air comprimé aux besoins précis de l’utilisateur tout en assurant le meilleur rendement énergétique possible.

Ce que nous appelons communément des commandes de compresseurs sont en fait des systèmes de régulation qui se répartissent entre quatre principes de fonctionnement :

1. La régulation en cascadeLa régulation en cascade est la méthode classique de couplage de compres-seurs pour une gestion en série. Pourcela, des points de commutationinférieur et supérieur sont affectés àchaque compresseur. La coordinationde plusieurs compresseurs s’effectuedonc selon un système de régulationen gradins ou en cascade. Lorsquela consommation d’air est faible, unseul compresseur est mis en serviceet la pression fl uctue entre pmin et pmax

dans le haut de la plage de pression ducompresseur. En revanche, la pression

baisse lorsque plusieurs compresseurs sont mis en service pour répondre à une augmentation de la consommation d’air (fi g. 1, colonne 1).

D’où une situation relativement défavo-rable : la pression du réseau est à son maximum lorsque la consommation est faible, ce qui augmente les pertes éner-gétiques dues aux fuites ; lorsque la consommation est importante, la pres-sion baisse et le réseau ne dispose que d’une faible réserve de pression.Du fait de l’affectation d’une plage de pression donnée à tel ou tel compres-seur, la bande de pression du système de régulation est très large, avec des différences selon le type de cap-teur utilisé (pressostat à diaphragme conventionnel, manomètre ou capteur électronique). Plus il y a de compres-seurs en service, plus les plages de pression sont globalement importantes. Cela conduit à des réglages ineffi caces avec des pressions inutilement éle-vées, des fuites et des pertes d’énergie. Dans des confi gurations comptant plus de deux compresseurs, il convient donc de remplacer la régulation en cascade par d’autres méthodes de régulation.

2. La régulation sur une bande depressionContrairement à la régulation en cas-cade, la régulation sur une bande depression (fi g. 1, colonne 2) permet decoordonner plusieurs compresseursdans les limites d’une plage de pres-sion défi nie. Cela permet de limiterassez étroitement la plage de pressiondans laquelle l’ensemble de la stationsera régulé.

2. a) Régulation simpleLes versions simples de la régulationsur une bande de pression ne sont pasen mesure de coordonner des com-presseurs de différentes tailles. Parconséquent, elles ne sont pas aptes àgérer les charges de pointe dans lesréseaux d’air comprimé soumis à de fré-quentes variations de la consommation. Cette régulation a donc été complétéepar un système qui permet de cou-vrir les pointes de consommation enprenant en compte les périodes dediminution et d’augmentation de lapression pour piloter les compres-seurs. La courbe caractéristique decette régulation nécessite toutefois unebande de pression relativement large(fi g. 2). Par ailleurs, elle ne tient pascompte de l’hystérésis des compres-seurs et du réseau d’air comprimé. Parconséquent, comme dans la régulationen cascade, la pression est susceptiblede descendre sous le seuil minimumdéfi ni. Il faut donc respecter une margede sécurité entre la pression minimalerequise et le point de commutation leplus bas de la régulation.

2. b) Régulation sur une bande depression en fonction de la pressionnominaleLa régulation sur une bande de pres-sion en fonction de la pression nominale a apporté une amélioration importante(fi g. 1, colonne 3) Elle vise à respecterune pression nominale défi nie et peutgérer des compresseurs de différents

débits en fonction de la consommation d’air comprimé. Avantage majeur de cette variante, elle permet d’abaisser nettement la pression de service moyenne du système d’air comprimé et donc d’économiser de l’énergie et des coûts.

3. Régulation en fonctionde la pression requiseLa régulation en fonction de la pres-sion requise (fi g. 1, colonne 4) offreactuellement l’optimum en termes derégulation. Cette variante ne nécessitepas de limites de pression minimale etmaximale, mais uniquement la pres-sion de service minimale admissible aupoint de mesure du capteur (fi g. 3). Larégulation sélectionne et permute lescompresseurs, et fait varier la vitessede certains pour obtenir la confi gura-tion optimale compte tenu de toutes lespertes dues à l’élévation de pression,aux temps de démarrage, de réactionet de marche à vide. Connaissant lestemps de réaction des différents com-presseurs, le système est en mesured’empêcher la pression de descendresous le seuil minimal requis (fi g. 4).Grâce à cette toute nouvelle régula-tion adaptative 3Dadvance, la commandeprioritaire SIGMA AIR MANAGER 4.0parvient à réduire encore la consom-mation d’énergie par rapport à larégulation sur une bande de pressionqui se réfère à la pression nominale.La nouvelle régulation évite égalementtoute baisse de la pression sous le seuilprescrit. Et elle se distingue par la faci-lité avec laquelle l’utilisateur peut réglerlui-même la pression requise.

Fig. 1 : Différentes variantes de régulation des compresseurs par une commande prioritaire

Fig. 2 : Le système règle la pression optimale en tenant compte de toutes les pertes liées à la régulation

Fig. 4 : Le système évite toute baisse de la pression sous le seuil de pression requise défini

Fig. 3 : Avec la régulation en fonction de la pression requise, plus besoin de définir des limites de pression mini et maxi

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Courbe de pression Vecteur moyen

Flexib

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Pertes de com

mutation Pertes de régulation

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Économiser de l’énergie avec la récupération des calories

Chapitre 8

Face à la hausse continue du prix de l’énergie, la maîtrise des ressources énergétiques est un impératif écolo-gique et une nécessité économique. Les constructeurs de compresseurs proposent pour cela de nombreuses solutions, comme par exemple la récupération des calories émises par les compresseurs à vis.

1. Les compresseurs produisenten premier lieu de la chaleurUn compresseur convertit 100 % del’énergie consommée en énergie calo-rifi que. Pendant la compression, lecompresseur charge l’air d’un poten-tiel d’énergie (fi g. 1). Cette masseénergétique est utilisable lorsque l’aircomprimé, en se détendant à la consom-mation se refroidit et soustrait l’énergiecalorifi que de son environnement.

2. Les possibilités derécupération de caloriesL’utilisateur désireux de rentabiliser saproduction d’air comprimé a le choixentre plusieurs solutions pour récu-pérer les calories :

a) Le chauffage par air chaudSur les compresseurs à vis refroidis parair, par huile ou par fl uide, la manièrela plus simple de récupérer les caloriesconsiste à réutiliser directement l’air derefroidissement réchauffé par le com-presseur. Cet air chaud est amené parun réseau de gaines dans les locaux àchauffer. Il peut évidemment servir àd’autres usages, comme les processusde séchage, les rideaux d’air chaudou le préchauffage de l’air de combus-tion pour les brûleurs. Lorsque l’on n’apas besoin de l’air chaud, celui-ci estévacué à l’air libre par des registres. Leréglage thermostatique des registrespermet d’adapter le débit d’air chaudnécessaire pour obtenir des tempé-ratures constantes. Cette solutionpermet de réutiliser jusqu’à 96 % de lapuissance électrique absorbée par uncompresseur à vis. Elle est également

geur à plaques conventionnel ou un échangeur de sécurité. Les échangeurs de chaleur permettent de produire de l’eau à 70 °C maxi. Pour des com-presseurs à partir de 7,5 kW, les frais d’installation du système de récupé-ration de calories sont généralement amortis en deux ans, pour autant que le système ait été correctement étudié.

3. Respecter la sécuritéIl ne faut jamais récupérer les calo-ries sur le circuit de refroidissementprimaire du compresseur car uneéventuelle défaillance du système derécupération de calories compromet-trait le refroidissement du compresseuret par conséquent la production d’aircomprimé. Il faut donc équiper le com-presseur d’échangeurs de chaleursupplémentaires, dédiés à la récupé-ration de calories. En cas de défaut, lecompresseur assurera sa propre sécu-rité de fonctionnement : si l’échangeurhuile-eau du système de récupérationde calories n’évacue pas de chaleur, lecompresseur commute en interne surson circuit de refroidissement primairepar air ou par eau. L’alimentation en aircomprimé est préservée (fi g. 2 et 3).

4. Jusqu’à 96 % d’énergierécupérableLa plus grosse part de l’énergieconsommée et récupérable sous formede chaleur, à savoir 76 %, se trouvedans le fl uide de refroidissement descompresseurs à injection d’huile oude fl uide, 15 % sont retenus dans l’aircomprimé et jusqu’à 5 % correspondentà la déperdition de chaleur du moteurélectrique. Sur les compresseurs àvis refroidis par huile ou par fl uide etcarrossés hermétiquement, un refroi-dissement approprié permet même derécupérer les calories dissipées parle moteur électrique. Au total, jusqu’à96 % de l’énergie consommée par lecompresseur peut être réutilisée sousforme de chaleur.

Seuls 2 % des calories sont dissipés par rayonnement et 2 % sont retenus dans l’air comprimé (fi g. 1).

5. ConclusionLa récupération des calories est unmoyen tout à fait intéressant pourrendre la station d’air comprimé pluséconomique tout en réduisant sonempreinte énergétique. L’investisse-

Économie de coûts énergétiques réalisablepar la récupération de caloriesÉconomie de coûts énergétiques

grâce à l’optimisation technique

Investissement station d’air compriméCoûts d’entretien

Coûts énergétiques

Potentiel d’économie de coûts énergétiques

Fig. 4 : La récupération de calories permet d’importantes économies de coûts énergétiques

rentable avec des petits compres-seurs : l’énergie calorifi que dégagée par un compresseur de 7,5 kW suffi -rait aisément à chauffer une maison individuelle.

b) La production d’eau chaudeAvec un échangeur de chaleur installédans le circuit d’huile, les compresseurs à vis refroidis par air ou par eau per-mettent de produire de l’eau chaude.Selon l’usage prévu (chauffage, lavage,sanitaires ou processus de fabricationou de nettoyage spéciaux), l’échangeurde chaleur utilisé peut être un échan-

env. 96 %Puissance calorifique récupérable

env. 15 %Calories récupérables par refroidissement de l’air comprimé

env. 2 %Calories retenues dans l’air comprimé

env. 2 %Calories dissipées par le compresseur

100 %Consommation électrique totale

env. 76 %Calories récu-pérables par refroidissement du fluide

env. 5 %Calories émises par le moteur

25 %Chaleur ambiante

25 %Potentiel énergétique air comprimé

Fig. 1 : Diagramme de répartition

Fig. 3 : Raccordement des compresseurs à un système de récupération de calories

ment nécessaire est relativement faible et varie selon les caractéristiques du lieu d’installation, l’utilisation prévue et le mode de récupération de calories choisi (fi g. 4).

Échangeur de chaleur (interne)

Compresseur à vis refroidi par air

Eau chaude

Eau froide

Chauffage par eau chaude

Douche

Ballon d’eau chaude

Fig. 3 : Schéma de la récupération de calories

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2322

Créer un réseau d’air compriméChapitre 9

Pour que l’air comprimé soit un vecteur d’énergie économique, sa production, son traitement et sa distribution doivent être parfaite-ment harmonisés. Cela suppose une étude et une exécution soigneuses de la station proprement dite, mais aussi un dimensionnement et une installation appropriés du réseau d’air comprimé.

1. Produire l’air comprimé àmoindre coûtCompte tenu de toutes les dépensesd’énergie, de fl uides de refroidisse-ment, d’entretien et d’amortissement,le mètre cube d’air comprimé coûteentre 0,5 et 2,5 centimes, suivant lapuissance, la charge, l’état et le type decompresseur. Beaucoup d’entreprisescherchent donc à rendre leur produc-tion d’air comprimé la plus économiquepossible, ce qui explique le succès descompresseurs à vis refroidis par huileou par fl uide : ils permettent d’éco-nomiser jusqu’à 20 % des coûts deproduction de l’air comprimé.

2. Traiter l’air comprimé pourprotéger le réseauLe traitement de l’air comprimé estsouvent considéré comme relativementsecondaire. Ceci est regrettable car letraitement approprié de l’air comprimépermet de limiter les frais d’entretiendes équipements pneumatiques etdu réseau de tuyauterie. Les tuyaute-ries qui transportent de l’air compriméhumide, en amont du séchage, doiventimpérativement être traitées anticor-rosion. Lorsque l’air comprimé a ététraité, il faut veiller à ce que sa qualiténe se dégrade pas dans le réseau dufait d’une mauvaise tuyauterie.

a) Moins d’entretien grâce auxsécheurs frigorifi quesDans 80 % des cas, les sécheurs fri-gorifi ques suffi sent pour traiter l’aircomprimé. Ils dispensent souventd’installer dans le réseau des fi ltres

qui génèrent des pertes de charge, et en termes de coûts énergétiques, ils ne représentent que 3 % de l’énergie consommée par le compresseur pour un débit d’air équivalent. Les écono-mies d’entretien et de réparation des tuyauteries et des équipements pneu-matiques dépassent jusqu’à dix fois les dépenses occasionnées par le séchage frigorifi que.

b) Des unités gain de placeDes unités peu encombrantes, combi-nant un compresseur à vis, un sécheurfrigorifi que et un réservoir d’air com-primé (fi g. 1) sont disponibles pour lespetites entreprises ou pour l’alimenta-tion en air comprimé décentralisée.

3. Créer un réseau d’air compriméAvant toute chose, il faut déterminer sil’alimentation en air comprimé doit êtrecentralisée ou décentralisée. L’alimen-tation centralisée est généralementadaptée aux petites et moyennes entre-prises. Elle évite les problèmes liés àun réseau d’air comprimé étendu : uneinstallation compliquée, le risque degel des conduites extérieures insuffi -samment isolées en hiver et la perte de

charge importante, due à la longueur des tuyauteries.

a) Bien dimensionner le réseauLe dimensionnement du réseau detuyauterie nécessite un calcul soigneuxsur la base d’une perte de charge maxi-male de 1 bar entre le compresseur etles outils pneumatiques, et compte tenude l’écart de régulation du compresseuret du traitement d’air comprimé stan-dard (sécheur frigorifi que).Les hypothèses de pertes de chargesont les suivantes (fi g. 2) :

Conduite principale 0,03 bar Conduite de distribution 0,03 bar Descente 0,04 bar Sécheur 0,20 bar Unité d’entretien et tuyau 0,50 bar

Total maxi 0,80 bar

Comme le montre cette liste, il est important de calculer les pertes de charge sur les différents tronçons de tuyauterie, en prenant aussi en compte les coudes et les vannes d’arrêt. Il ne suffi t pas de prendre le métrage linéaire de la tuyauterie et d’appliquer une table de calcul ou une formule, il faut cal-culer les longueurs de tuyauterie du point de vue de l’écoulement du fl uide. Dans la phase initiale de l’étude, on ne connaît généralement pas encore tous les raccords et les vannes qui seront nécessaires. Pour calculer les longueurs de tuyauterie du point de vue fl uidique, on multiplie le nombre de mètres linéaires de tuyauterie par 1,6. Des formules courantes (fi g. 3) ou des nomogrammes permettent de déterminer facilement le diamètre des tuyauteries (annexe 1, p. 54).La Toolbox KAESER (www.kaeser.fr/Online_Services/Toolbox) permet également d’effectuer ces calculs.

b) Économiser de l’énergie avec destuyauteries bien poséesPour économiser de l’énergie, il fautposer les tuyauteries de la manière laplus linéaire possible. Afi n d’éviter descoudes pour contourner des piliers parexemple, la tuyauterie sera posée enligne droite, à côté de l’obstacle. Lesangles vifs à 90° qui provoquent defortes pertes de charge peuvent facile-ment être remplacés par des coudes à90° largement dimensionnés. Utiliser

si l’on additionne les coûts d’achat et d’installation. Les tuyaux en inox sont à peu près 20 % plus chers mais leur prix a baissé grâce aux nouvelles tech-niques de fabrication.Aujourd’hui, de nombreux fabricants de tuyaux fournissent des tableaux spécifi ant les conditions d’utilisation optimales des différents matériaux. Avant toute décision d’investissement, il est recommandé d’étudier soigneu-sement ces tableaux comparatifs pour défi nir un cahier des charges en fonc-tion des contraintes d’exploitation du réseau. C’est le meilleur moyen de faire le bon choix.

d) Attention à la techniquede raccordementLes éléments de tuyauterie serontsoudés ou collés, ou encore assembléspar vissage et collage. Même si cestechniques de raccordement rendentle démontage diffi cile, elles minimisentles risques de fuite.

Fig. 2 : Les principales composantes du réseau de distribution d’air comprimé : conduite principale (1), conduite de distribution (2), descente (3), sécheur (4), unité d’entretien et flexible (5)

Fig. 1 : La station compacte AIRCENTER pour la production, le traitement et le stockage d’air com-primé dans un minimum d’espace

des vannes à boisseau sphérique ou des soupapes à clapet à passage inté-gral à la place des vannes d’arrêt d’eau que l’on rencontre encore souvent. Dans la partie humide du réseau, autrement dit uniquement dans le local compresseurs, les entrées et sorties de la conduite principale doivent être dirigées vers le haut ou au minimum prévues sur le côté. La conduite prin-cipale doit avoir une pente de 2 ‰. L’évacuation des condensats est à prévoir au point le plus bas de cette conduite. Dans la partie sèche, il faut poser les tuyaux à l’horizontale et diriger les piquages vers le bas.

c) Quel matériau pour la tuyauterie ?Nous ne pouvons pas émettre derecommandation particulière quantaux propriétés du matériau mais du faitdu dégagement de chaleur des com-presseurs, il faut utiliser des conduitesmétalliques. Le prix d’achat du maté-riau n’est pas non plus le seul critèrede choix. Qu’ils soient galvanisés,en cuivre ou en plastique, les tuyauxreviennent à peu près au même prix

1,6 x 103 x V1,85 x L∆p x ps

di =√5

Fig. 3 : Formule de calcul approximatif des diamètres de tuyaux

d i = diamètre intérieur du tuyau (m)p s = pression du système (absolue, en Pa)

L = longueur nominale (m)V = débit (m³/min)∆ p = perte de charge (Pa)

Formule d’approximation :

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VK x ∑ tx

VL = ––––––––––– T

t1 t2 t3 t4 t5

T

Moderniser un réseau d’air compriméChapitre 10

Chaque année, de nombreuses entreprises jettent littéralement des milliers d’euros par la fenêtre parce que leur réseau obsolète et/ou mal entretenu augmente la consom-mation d’énergie du système d’air comprimé. Pour remédier à une telle situation, il faut procéder méthodi-quement. Voici quelques conseils pour mener à bien la modernisation d’un réseau d’air comprimé.

1. Première condition :de l’air comprimé secLa création d’un tout nouveau réseaud’air comprimé permet d’éviter de nom-breuses erreurs et les problèmes quien découlent. En revanche, la moder-nisation d’un vieux réseau s’avèreplus compliquée. Elle est même prati-quement vouée à l’échec si la stationcontinue d’alimenter le réseau en aircomprimé humide. Avant d’engagerdes travaux de modernisation, il fautdans tous les cas prévoir un systèmede séchage centralisé.

2. Comment remédier à uneperte de charge anormale ?Si un système de traitement appro-prié a été mis en place et que la pertede charge dans le réseau reste trèsimportante, c’est dû à l’encrassementdes tuyaux. Les particules contenuesdans l’air comprimé se déposent surles parois des tuyaux et fi nissent parréduire fortement le passage.

a) Remplacer ou décaper par jet d’airLorsque les dépôts ont durci, il n’y agénéralement pas d’autre solution quede remplacer les tuyaux.Si le rétrécissement n’est pas encoretrès important, le décapage des tuyauxpar jet d’air comprimé, suivi d’unséchage, suffi t souvent pour agrandir lasection de passage.

b) Poser des tuyauteriescomplémentairesUn excellent moyen de résoudre le pro-blème de piquages devenus trop étroitsconsiste à poser une tuyauterie paral-lèle, reliée aux piquages. De même,si un réseau circulaire n’offre plus unesection suffi sante, le problème peutêtre résolu par la pose d’une deuxièmeboucle (fi g. 1).En plus de son utilité première qui estde réduire les pertes de charge, etpour autant qu’il soit bien dimensionné,ce réseau de doubles piquages ou dedouble boucle améliore la fi abilité de ladistribution d’air comprimé.Un autre moyen de moderniser unréseau circulaire consiste à le com-pléter par un maillage (fi g. 2).

3. Déterminer et éliminer les fuitesPour que les mesures de modernisa-tion aboutissent à un résultat optimal,il faut aussi éliminer au maximum lesfuites en ligne.

a) Calculer le débit total des fuitesAvant de se mettre à la recherche desfuites dans le réseau, il faut déter-miner leur ampleur. Il existe pour celaune méthode simple : arrêter tous lesoutils et équipements pneumatiquespuis mesurer les temps de fonction-nement du compresseur sur un lapsde temps défi ni (fi g. 3). À partir decette mesure, le débit de fuite secalcule avec la formule suivante :

où :VL = débit de fuite (m³/min)VK = débit du compresseur (m³/min)∑ tx = t1 + t2 + t3 + t4 + t5

Durée (min) pendant laquelle le com-presseur a tourné en chargeT = durée totale (min)

b) Déterminer les fuites au niveaudes équipements pneumatiquesPour déterminer les fuites au niveau des équipements pneumatiques, raccordertous les outils, machines et appareilspneumatiques, puis additionner toutesles fuites (fi g. 4). Fermer ensuite lesvannes d’arrêt en amont des équipe-ments pneumatiques pour mesurer lesfuites des tuyauteries (fi g. 5).La différence entre le total des fuiteset les fuites du réseau correspond

Fig. 1 : Modernisation de la tuyauterie par la pose d’une seconde boucle

Fig. 2 : Augmentation de la capacité des tuyauteries par un maillage

Fig. 4 : Mesure des fuites sur les équipements pneumatiques + tuyauteries

Fig. 5 : Mesure des fuites des tuyauteriesFig. 3 : Calcul des fuites à partir des temps de fonctionnement du compresseur, tous les équipements pneumatiques étant débranchés

Temps (t)

Pression de service

aux fuites au niveau des équipements pneumatiques, de leurs raccords et des accessoires de tuyauterie.

4. Où se trouventla plupart des fuites ?Nous savons par expérience qu’à peuprès 70 % des fuites se situent en fi nde ligne, autrement dit sur les dernièresdescentes du réseau d’air comprimé.Les fuites peuvent être localisées aumoyen d’eau savonneuse ou d’un sprayspécial. En général, lorsque les tuyau-teries principales transportant de l’airsec présentent des fuites nombreuseset importantes, cela est dû au dessè-chement de l’étoupage en chanvre quiétait prévu à l’origine pour un réseautransportant de l’air humide. Le détec-teur à ultrasons est très commode pour

localiser précisément les fuites sur les tuyauteries principales. Lorsque les fuites ont été déterminées et éliminées, et que les sections de tuyauterie ont été adaptées aux nouveaux besoins, le réseau assure la distribution d’air com-primé de manière économique.

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tallerRC

tretourRC

VeauRC

Utilisation de l’air chaud

Production d’eau chaude

Usage :

Usage :

Récupération de calories8.6

8.7

Système d’économie d’énergie

Température aller

Température retour

Débit d’eau

°C

°C

m³/hConditions d’installation dans le local compresseurs

Teneur en poussièrePropretéfaible

faibleforte

forteOuverture de prise d’air

Ouverture d’évacuation d’air

existante,

existante,

inexistante

inexistante

m²

m²

Jeske-VKI/QUMV-030118-Planung Druckluft-Station-1\04. Mai 2010

bar

%


Conditions environnementales8.

8.1

8.2

8.3

8.4

8.5

Température d’aspiration maximale

Pression atmosphérique minimale (à la température d’aspiration maximale)

Humidité relative maximale (à la température d’aspiration maximale)

Température d’aspiration minimale

Refroidissement

tAmax

PAmin

FrelAmax

tAmin

°C

°C

par air

par eau

Circuit de refroidissement ferméCircuit de refroidissement ouvert

Qualité d’eau de refroidis-sement :selon standard KAESER

Températures d’entrée d’eau de refroidissement

Températures de retour d’eau de refroidissement

Pression d’eau de refroidissement

°C

°C

°C

°C

tentmax

tentmin

tretmax

tretmin

pEaurefr bar(eff.)




7.

7.1

7.2

7.3

Pression de travail mini nécessaire pour les outils

Pertes de charge

Quelle doit être la pression maximale des compresseurs ?

du réseau de tuyauterie

de la colonne à charbon actif

du fi ltre pour air stérile

du fi ltre micronique

des fi ltres combinés submicronique

et charbon actif

d’un autre fi ltre

du sécheur

Écart de régulation des compresseurs

Pression maximale nécessaire des compresseurs

Matériau de la tuyauterie ou :

longueur du réseau de tuyauteriem

pAKmin

pFSTmin

pFXAmin

pFXmin

pFVmin

bar

bar

bar

bar

bar

pWmin

pR

pAKmax

pFSTmax

pFXAmax

pFXmax

pFVmax

bar

bar

bar

bar

bar

bar

bar

pséch

pRégul

bar

bar(eff.)

+

+

+

+

+

+

+

+

bar(eff.)

bar(eff.)pmaxnéc

pmin

=

Pression minimale des compresseurs (pmaxnéc - pRégul)


3. Des compresseurs de secours (réserve de sécurité) étaient-ils utilisés précédemment ?

4. Existe-t-il une commande prioritaire ?

non

nonoui, usage :

oui, combien ?

non

prévus ultérieurement

oui, laquelle ?

prévue ultérieurement :

Permutation de la charge de base

Existe-t-il un système de récupération de calories ?

5.

Commande prioritaire SAM _/_

Système de gestion VESIS

prévu ultérieurement :

Quelle est la qualité d’air requise ?

6.

(voir fi ches techniques sur le traitement de l’air et le traitement des condensats)

CentraleLocale

Classe de qualité d’air comprimé

Consommation

d’air

Consommation

d’air

m³/min

m³/min

selon ISO/DIS 8573-1

Teneur

résiduelle

en huile

Poussière

résiduelle

Eau résiduelle


Type/modèle (sécheur,

fi ltre, purgeur, etc.)

Dimensionné pour

m³/min

Débit total des compresseurs existants qui seront réutilisés

= Vtotexistant

oui

Désignation

de l’exploitant

FabricantType

Pression

bar(eff.)

Débit

m³/min

Est-il prévu

de les

réutiliser ?2.

non

oui


Des compresseurs sont-ils déjà en service ?

non

m³/min

Composants de traitement existants :

Fabricant

bar(eff.)

Remarques

p. ex. “mal dimensionné”

Jeske-VKI/QUMV-030118-Planung Druckluft-Station-1\04.Mai 2010

Consommation d’air comprimé des outils et machines raccordés


Quel doit être le débit des compresseurs ?

1.

1.1

Outils,

machines

Consommation

d’air par outil,

machine

m³/min

Nombre

d’outils,

de machines

Taux de

charge

%

Facteur de

simultanéité

%

Consommation

d’air effective

calculée

m³/min

x

x

x

x

x

x

x

x

xx

x

x

x

x

x

x

x

x

=

=

=

=

=

=

+

+

+

+

+

Consommation d’air de l’ensemble

des outils

=

1.2

1.3

1.4

Autres équipements pneumatiques

Fuites du réseau d’air comprimé

Réserve

+

+

+

Voutils

Vautres

Vfuite

VRéserve

Vtot

m³/min

m³/min

m³/min

m³/min

m³/min

=

Débit mini nécessaire des compresseurs


Analyse sur site

ADA

KESS

Concept de

sécurité

CAO

Analyse des besoins en air comprimé (ADA)État des lieux de l’existant

Chapitre 11

Les stations d’air comprimé modernes sont généralement des systèmes complexes. Leur exploi-tation ne pourra être économique que si cette complexité est prise en compte lors de la création, de l’extension ou de la modernisa-tion. KAESER propose pour cela un ensemble complet de produits et de services qui associe des éléments éprouvés comme les équipements de la station d’air comprimé, le conseil et le suivi du client, et les nouvelles techniques d’information appliquées à l’air comprimé.

L’air comprimé est utilisé dans tous les secteurs industriels. Quel que soit le secteur considéré, la fi abilité des équi-pements de production et de traitement est l’un des préalables essentiels à l’uti-lisation économique de l’air comprimé. Ils doivent fournir l’air comprimé aux meilleurs coûts, aux débits spécifi és et dans la qualité défi nie.

1. Le conseil, un facteurde performance économiquePour répondre à ces critères, le sys-tème d’air comprimé doit être étudiéen fonction de l’utilisation envisagée,

et adapté aux conditions ambiantes et d’installation. Autrement dit, il doit comprendre des compresseurs, des appareils de traitement et un réseau de tuyauterie correctement dimensionnés, une commande effi cace, des systèmes de traitement des condensats et de ven-tilation appropriés, et dans la mesure du possible, permettre la récupération des calories. KESS, le système d’éco-nomie d’énergie KAESER, permet de répondre à ces exigences. Il englobe l’analyse du profi l de consommation d’air comprimé, la planifi cation (fi g. 1) et la réalisation de la station, la formation du personnel et le service après-vente.

La qualité du conseil et le choix des types d’équipements sont déterminants car les plus gros gisements d’écono-mies se trouvent dans la consommation d’énergie et les frais d’entretien, et non pas au niveau de l’achat proprement dit.

2. L’analyse du profi l deconsommationLe conseil dans le cadre du programmeKESS commence toujours par l’analysedu profi l de consommation d’air com-

Fig. 2 : Questionnaire « Station d’air comprimé » pour des centrales à créer ou existantes (cf. annexe p. 56)

Fig. 3 : Plan d’ensemble du réseau d’air comprimé

Fig. 1 : Le système d’analyse de KAESER Compresseurs

primé actuel et éventuellement futur. Cette analyse, désignée chez KAESER sous l’appellation ADA (Analyse de la Demande d’Air), prend différentes formes selon le projet envisagé :

a) Création d’une stationd’air compriméLe futur exploitant reçoit un ques-tionnaire spécial pour l’étude et ledimensionnement de sa station(fi g. 2). L’exploitation de ce question-naire et le conseil d’un spécialiste deKAESER permettent de cerner lesbesoins estimés en air comprimé etl’équipement nécessaire. Les questions couvrent tous les aspects essentielsd’une alimentation en air comprimééconomique et non polluante.

b) Extension et modernisationContrairement à la création d’une sta-tion, les projets d’extension peuvents’appuyer sur l’existant pour le dimen-sionnement. KAESER met à ladisposition du client des méthodes etdes instruments de mesure pour déter-miner exactement la consommationd’air comprimé aux divers postes detravail et à des moments différents. Ilest très important de relever non seule-ment des moyennes de consommation,mais aussi les valeurs maximales etminimales (fi g. 8, page 29).

c) Contrôle du rendementdes stations existantesMême pour les stations existantes, ilest recommandé de vérifi er de tempsen temps, à l’aide d’un système d’ana-lyse assisté par ordinateur, si la chargedes compresseurs est encore correcte,si la programmation de la commandeprioritaire est toujours adaptée ou sile débit de fuite est dans la tolérance.L’analyse ADA est également recom-mandée au moment de remplacer descompresseurs obsolètes. C’est l’occa-sion,éventuellement, de rectifi er desparamètres, d’améliorer le fonctionne-

ment des compresseurs (surtout en charge partielle) et de prévoir un sys-tème de gestion prioritaire optimisé.

d) Nouvelles conditions d’utilisationde l’air compriméLorsque les conditions d’utilisationchangent, il est judicieux de consulterun spécialiste. Dans bien des cas, lefait d’adapter le système de traitementou d’ajuster la pression permet deréduire les coûts.

3. Les informations à fournir parl’exploitanta) Le plan du réseauLe plan d’ensemble du réseau (fi g. 3)est indispensable à titre d’information générale. Il doit indiquer la conduite principale d’air comprimé, les piquages et les points d’alimentation de la station de compresseurs. Il mentionnera également les dimen-sions et les matériaux des tuyauteries,

les postes à forte consommation d’air comprimé et ceux qui nécessitent une pression ou une qualité d’air spéciales.

b) Les types d’utilisation de l’aircompriméL’air comprimé étant un fl uide très poly-valent, il est indispensable de connaîtreprécisément l’utilisation qui en est faite.L’air comprimé sera-t-il utilisé commeair de réglage, pour le revêtement desurface, pour des outils rotatifs, à desfi ns de nettoyage, comme air process,etc.?

c) Les compresseurs existantsL’exploitant doit préciser le type etle modèle des compresseurs, leurscaractéristiques techniques tellesque la pression de service, le débit,la puissance absorbée, le type derefroidissement et éventuellement laprésence d’un système de récupérationde calories.

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29,028,027,026,025,024,023,022,021,020,019,018,017,016,015,014,013,012,011,010,09,08,07,06,05,04,03,02,01,00,0

10

9

bar

m³/

min

Logger1 K2_B95_10Logger1 pression_cuve

Logger1 K1_B111_10Logger1 pression_avant traitement

Logger1 pression_production

Analyse des besoins en air comprimé (ADA)État des lieux de l’existant

Chapitre 11

d) Le traitement d’air compriméPour le traitement de l’air comprimé,l’essentiel est de savoir s’il est cen-tralisé et/ou décentralisé, et quellessont les classes de qualité requises.L’exploitant doit également fournirles caractéristiques techniques desorganes de traitement. Un schémafonctionnel facilite la compréhension(fi g. 4, page 28).

e) La commande et la surveillancede la centraleLa description des systèmes de com-mande et de surveillance utilisés estindispensable car le rendement de lastation est déterminé non seulementpar les caractéristiques de chacune desmachines mais aussi, et surtout, par labonne coordination des compresseurs.

4. Concertation entre l’exploitant etle spécialiste de l’air compriméAu cours d’un entretien préliminaire,l’exploitant présente toutes les infor-mations dont il dispose et expose auspécialiste les problèmes qui affectentson alimentation en air comprimé. Ilpeut s’agit d’une pression trop basseou instable, d’une qualité d’air insuf-fi sante, d’une mauvaise utilisation de

la capacité des compresseurs ou d’un problème de refroidissement.

5. L’état des lieux du réseau d’aircompriméIl est généralement très instructif defaire le tour du réseau pour dresser unétat des lieux. On commencera de pré-férence par les zones critiques, là où ilfaut par exemple s’attendre à de fortespertes de charge ou à une mauvaisequalité d’air (fi g. 5). En général, ce sontles derniers points de prélèvement duréseau.

a) Flexibles, manodétendeurs,décanteursLes raccords des fl exibles au niveaudes outils pneumatiques sont trèssouvent sujets aux fuites. Il faut donccontrôler leur état et leur étanchéité. Sides manodétendeurs sont utilisés, véri-fi er également leur réglage (pressiond’alimentation et pression fi nale) enconditions de charge (fi g. 6). Contrôlerles décanteurs en amont des manodé-tendeurs pour rechercher du liquide oudes impuretés. Vérifi er également lestuyaux de sortie vers le bas (fi g. 7).

Fig. 5 : Très instructif : l’état des lieux du réseau

Station d’air comprimé

Poste de peintureavec un robot

Fig. 4 : Schéma fonctionnel d’une station (PID), tracé à la main

Fig. 6 : Unité d’entretien avec manodétendeur Fig. 7 : Rechercher la présence d’humidité dans la conduite de sortie d’air comprimé

Fig. 8 : Profil de la pres-sion et de la consom-

mation d’air comprimé d’une entreprise indus-

trielle, relevé avec le système ADA

Condensats

b) Les vannes d’isolementL’état des conduites de distribution quipartent du réseau principal joue consi-dérablement sur les performances dusystème. Les vannes d’isolement sontdes points névralgiques. Il faut véri-fi er s’il s’agit par exemple de vannes àboisseau sphérique à passage intégralqui favorisent l’écoulement de l’air, declapets d’arrêt ou encore de vannesd’arrêt d’eau ou de robinets-équerresdéfavorables au fl ux d’air.

c) La tuyauterie principaleIl s’agit ici de rechercher les restrictionsde section qui occasionnent des pertesde charge.

d) Le système de traitementLes principaux points à contrôler sont laperte de charge provoquée par le sys-tème de traitement et le point de roséesous pression (degré de séchage).D’autres contrôles de qualité peuventêtre nécessaires selon le cas.

e) La stationLa station d’air comprimé elle-mêmepeut aussi présenter de graves ano-malies. Il faut vérifi er l’installation desmachines, le circuit de ventilation,le refroidissement et les tuyauteries.L’écart total des pressions de commu-tation des compresseurs devra êtredéterminé, de même que la capacitédes réservoirs d’air comprimé et lepoint de mesure à partir duquel lescompresseurs sont pilotés.

f) Défi nir les points de mesureÀ l’issue de cet état des lieux, le spé-cialiste de l’air comprimé défi nit avecl’exploitant les points de mesure pourl’analyse de la consommation d’air. Ilfaut au minimum relever la pression enamont et en aval du traitement, et à lasortie du réseau d’air comprimé.

6. Profi l des pressions etdes consommations d’air (ADA)Des enregistreurs de données modernes enregistrent le fonctionne-ment de la station de compresseurssur une période d’au moins 10 jourspour relever le profi l de la pression etla consommation d’air. L’enregistreurrelève les valeurs de mesures pré-vues et les transmet à un ordinateurqui génère un diagramme détailléde la consommation d’air comprimé.Celui-ci montre les baisses et les varia-

tions de pression, les fl uctuations de la consommation, le fonctionnement des machines en marche à vide, les temps en charge et les temps d’arrêt des compresseurs, et la puissance de chacun des compresseurs rapportée à la consommation d’air comprimé. Pour obtenir un tableau complet, il faut aussi relever les fuites sur toute la période de mesurage. La procédure est décrite au chapitre 10, (p. 24) . Elle nécessite d’isoler certaines parties du réseau pendant le week-end.

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3130

Défi nir une solution économiqueChapitre 12

L’optimisation rigoureuse des sys-tèmes d’air comprimé permettrait aux industriels européens d’éco-nomiser plus de 30 % de leurs frais d’air comprimé moyens. 70 à 90 % du coût de l’air comprimé sont impu-tables à a consommation d’énergie. Face à l’évolution des prix, le rende-ment du système d’air comprimé est un enjeu de plus en plus important pour l’utilisateur.

Les calculs d’optimisation effectués par le système d’économie d’énergie KESS de KAESER permettent de déterminer, parmi plusieurs variantes, la confi gura-tion la mieux adaptée pour l’entreprise considérée. S’agissant d’une création de station, les calculs s’appuient sur un questionnaire de dimensionnement renseigné par le futur exploitant. Pour la modernisation d’une station d’air comprimé existante, les calculs sont basés sur le profi l de consommation journalier caractéristique, relevé avec le système d’analyse de la demande d’air (ADA) (voir p. 29, fi g. 8).

1. Une étude assistée par ordinateurPour l’optimisation de la station, les caractéristiques techniques des com-presseurs existants et des nouvelles variantes possibles sont saisies dans l’ordinateur. Le système KESS déter-mine la variante optimale et les potentiels de réduction des coûts. Non seulement il calcule la consommation énergétique pour une consommation d’air comprimé donnée, en tenant compte de toutes les pertes de charge, mais il fournit une représentation graphique précise du profi l de puissance spécifi que de la sta-tion de compresseurs sur toute la durée de fonctionnement (fi g. 1). Cela permet de repérer les points faibles en charge partielle pour y remédier en amont du projet. À l’issue de cette étude, l’utilisa-teur a une vision claire des économies réalisables et de l’amortissement de son investissement.

2. Panacher les machinesDans la plupart des cas, la bonne solution consiste à associer des com-presseurs de différentes puissances dans une confi guration soigneusement étudiée. Celle-ci comprend généra-lement de gros compresseurs pour couvrir la charge de base et servir de machines de secours, et de compres-seurs de plus petite taille pour la charge de pointe. Le système de gestion prioritaire a pour fonction d’équilibrer au mieux la puissance spécifi que entre les 16 com-presseurs pouvant être pris en charge au maximum. Il doit être en mesure de sélectionner automatiquement la combinaison de compresseurs la plus favorable pour respecter une plage

de variation de pression de 0,2 bar seulement. Les systèmes de com-mande intelligents comme le SIGMA AIR MANAGER répondent à cette exigence. Cette commande prioritaire échange des données avec les com-presseurs et d’autres équipements (purgeurs de condensats, sécheurs, etc.) par un système de bus. Elle peut également transférer toutes les don-nées d’exploitation à un système de contrôle-commande centralisé grâce à des interfaces.

3. Optimiser l’utilisation de l’espaceLa création ou la modernisation d’une station d’air comprimé est l’occasion d’optimiser l’utilisation de l’espace disponible. Les systèmes de concep-

tion modernes, comme ceux qu’utilise KAESER, facilitent cette optimisation. Ils permettent d’intégrer dans l’étude non seulement les plans d’ensemble et les schémas tuyauterie et Instrumenta-tion, mais aussi des animations et des représentations en 3-D de la station. De ce fait, malgré des locaux exigus, il s’avère souvent possible, par exemple, de prévoir un refroidissement par air qui permet d’économiser 30 à 40 % des coûts par rapport au refroidissement par eau. (fi g. 2a à 2c).

4. Optimisation du fonctionnementet contrôle de gestion Pour que la production d’air comprimé reste économique dans le temps, il ne suffi t pas d’optimiser le rapport coût-bénéfi ce, il faut aussi assurer la transparence indispensable pour contrôler effi cacement la gestion de la station. La commande de compresseur SIGMA CONTROL remplit les condi-tions nécessaires pour cela grâce à son PC industriel avec cinq modes de régulation programmés. Cette com-mande est en mesure de collecter et de transmettre les données à une commande prioritaire, par un réseau. La commande prioritaire, le SIGMA AIR MANAGER (p. 18), est elle aussi équipée d’un PC industriel qui assure des fonctions analogues à l’échelle de la station : il collecte toutes les don-nées des compresseurs qu’il régule et surveille, et les transmet à un réseau Ethernet via Internet ou par le logi-ciel de contrôle-commande SIGMA CONTROL CENTER. Avec le SIGMA AIR CONTROL, le logiciel de visua-lisation du SIGMA AIR MANAGER, l’utilisateur peut consulter sur un PC l’état de tous les compresseurs de la station et leurs principales données de fonctionnement. Il connaît immédiate-ment la pression de service et voit si la station tourne normalement, si des entretiens arrivent à échéance ou si des défauts sont signalés.

Fig. 1 : Comparaison de la consommation d’énergie entre une station existante et plusieurs nouvelles variantes, sur une journée de travail, en fonction de la consommation d’air comprimé

Fig. 2a : Étude en 3-D d’une station d’air comprimé, optimisée par CAO

Fig. 2b : Plan d’ensemble d’une station d’air comprimé

Fig. 2c : PID d’une station d’air comprimé

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3332

Refroidir effi cacement la station d’air compriméChapitre 13

Les compresseurs conver-tissent 100 % l’énergie électrique consommée en énergie calorifi que. La chaleur dégagée par un compres-seur de 18,5 kW seulement suffi rait à chauffer une maison individuelle. La station a donc besoin d’un refroi-dissement effi cace pour pouvoir fonctionner sans problèmes.

La chaleur dissipée par les com-presseurs permet d’économiser de l’énergie facilement. Les systèmes de récupération de calories permettent d’utiliser jusqu’à 96 % de l’énergie et d’abaisser fortement le coût de produc-tion de l’air comprimé (voir chapitre 8, p. 20). Même s’ils sont équipés pour la récupération de calories, les compres-seurs doivent disposer d’un système de refroidissement performant qui est lui-même source d’économies subs-tantielles. Le refroidissement par air, par exemple, peut coûter jusqu’à 30 % moins cher que le refroidissement par eau. Il est donc à privilégier partout où c’est possible.

1. L’environnement des compresseurs1.1. De l’air ambiant propre et fraisLa réglementation allemande sur la prévention des accidents VBG 16 (13.4 Compresseurs, article 12, para-graphe 1) stipule : « Les compresseurs sont à installer de manière à assurer une accessibilité suffi sante et le refroi-dissement nécessaire. » Les textes d’application précisent que la tempé-rature ambiante ne doit pas dépasser +40 °C pour les compresseurs refroidis par air et par huile. Par ailleurs il est indiqué à l’article 15 : « ... aucun mélange dangereux ne doit être libéré dans la zone d’aspiration des compresseurs. » Ce sont là des prescriptions minimales visant à limiter le risque d’accident. Il faut réunir bien d’autres conditions pour assurer le fonctionnement économique des com-presseurs et réduire l’entretien.

1.2 Le local compresseurs n’est pas un débarrasLe local compresseurs ne doit pas être encombré d’appareils étrangers à l’exploitation des compresseurs et doit être maintenu propre et sans poussière. Le plancher doit, dans la mesure du possible, être résistant à l’usure. Une fi ltration intensive est à prévoir si l’air d’aspiration ou de refroi-dissement est poussiéreux, chargé en particules ou pollué par d’autres subs-tances. Même dans des conditions de service normales, il faut fi ltrer l’air d’as-piration et l’air de refroidissement des compresseurs.

1.3 Des températures ambiantes maîtriséesLa température ambiante a une inci-dence sur la fi abilité des compresseurs et leur fréquence d’entretien. L’air d’as-piration et de refroidissement ne doit être ni trop froid (pas au-dessous de +3 °C) ni trop chaud (pas au-dessus de +40 °C). En été, même à des lati-tudes tempérées, la température peut dépasser les 40 °C dans les locaux

orientés au sud ou même à l’ouest. Il est donc recommandé de ne pas placer les ouvertures pour l’air d’aspiration et de refroidissement à des endroits très exposés au soleil. La taille des ouver-tures dépend de la puissance des compresseurs et du type de ventilation.

2. La ventilation du local compresseursUne bonne ventilation du local est indis-pensable pour les compresseurs, qu’ils soient refroidis par air ou par eau. Il faut évacuer la chaleur dissipée dans le compresseur et celle qui est émise par le moteur électrique, soit en tout environ 10 % de la puissance motrice du compresseur.

3. Les différents types de ventilation3.1 La ventilation naturelleL’air de refroidissement est aspiré puis réchauffé par le compresseur et sous l’effet de la surpression, il s’élève et sort du local par une ouverture prévue en hauteur (fi g. 1). Mais cette convec-tion naturelle idéale ne fonctionne qu’exceptionnellement et pour des

compresseurs de moins de 5,5 kW. Le rayonnement solaire ou le vent qui souffl e sur l’ouverture d’évacuation suffi sent à empêcher cette ventilation naturelle.

3.2 La ventilation forcéeCette méthode utilise un fl ux d’air de refroidissement forcé. Une commande thermostatique empêche la tempéra-ture de descendre sous les +3 °C en hiver. Des températures plus basses nuiraient au fonctionnement des com-presseurs ainsi qu’à l’évacuation et au traitement des condensats. La com-mande thermostatique est nécessaire car la ventilation forcée crée une cer-taine dépression qui empêche l’air chaud de refl uer dans le local compres-seurs. Il existe deux solutions :

3.2.1 Le ventilateur externe Un ventilateur externe thermostaté (fi g. 2), installé dans l’ouverture d’éva-cuation du local compresseurs aspire l’air chaud. L’ouverture d’aspiration (en bas à droite) ne doit pas être trop petite car cela créerait une dépression exces-sive qui se traduirait par un fl ux d’air trop fort et bruyant. Cela compromettrait aussi le refroidissement de la station. La ventilation doit être dimensionnée de sorte que l’élévation de tempéra-ture due à la dissipation de chaleur des compresseurs n’excède pas 7 K. Ceci pour éviter un recyclage thermique et la défaillance des compresseurs.

3.2.2 La gaine d’évacuation d’air chaudLes compresseurs à vis herméti-quement carrossés se prêtent à une ventilation pratiquement idéale avec une gaine d’évacuation : le compres-seur aspire l’air atmosphérique par une ouverture et rejette l’air chaud directe-ment hors du local par la gaine (fi g. 3). Ce système offre l’avantage d’autoriser un plus grand échauffement de l’air de refroidissement. L’élévation de tem-

pérature admissible peut aller jusqu’à environ 20 K, ce qui réduit la quantité d’air de refroidissement nécessaire. En principe, les ventilateurs installés de série sur les compresseurs suffi sent à évacuer l’air et contrairement aux ven-tilateurs externes, ils ne dépensent pas d’énergie supplémentaire. Mais tout ceci n’est valable que pour autant que la réserve de surpression des ventila-teurs ne soit pas dépassée. Par ailleurs, la gaine d’évacuation d’air chaud doit être équipée d’un registre de circulation d’air thermostaté (fi g. 4) pour éviter le refroidissement du local compresseurs en hiver. Si le local abrite des sécheurs refroidis par air, il faut en tenir compte pour éviter que les compresseurs et les sécheurs ne se perturbent mutuel-lement dans leur refroidissement. Lorsque les températures dépassent les + 25 °C, il est recommandé de prévoir un système d’évacuation d’air thermostaté pour augmenter le débit d’air de refroidissement du sécheur frigorifi que.

Exemple d’une station avec un système d’évacuation d’air chaud et une ventilation thermostatée supplémentaire pour le sécheur frigorifique

Fig. 4 : Un registre de circulation d’air thermosta-té assure l’équilibre thermique

Fig. 1 : Ventilation naturelle pour les centrales jusqu’à 5,5 kW

Fig. 2 : Ventilation forcée (ventilateur d’extrac-tion) pour les centrales de 5,5 à 11 kW

Fig. 3 : Ventilation forcée : gaine d’évacuation d’air chaud, pour les centrales à partir de 11 kW

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3534

36%

22%18%

16%7% 2%

■

■

■

■

■

■

0 20 40 60 80 100

30%30%

50%50%

90%90%

60%60%

90%90%

70%70%

60%60%

20%20%

50%50%

20%20%

20%20%

40%40%

50%50%

20%20%

Coûts énergétiques des compresseurs

Coûts énergétiques du traitement

Coûts d'entretien des compresseurs

Coûts d'entretien du traitement

Investissement compresseurs

Investissement unités de traitement

Installation / système de gestion prioritaire

Total traitement des condensats

Mise en route / formation

Station d’air comprimé

Production

Les anomalies constatées dans les stations d'air comprimé et les ateliers de production

Traitement inutile

Purgeur à électrovanne/à flotteur

Absence de système de maintien de pression

Mauvaise configuration du compresseur

Sécheur frigorifique avec régulation des gaz chauds

Absence de récupération de calories

Absence de commande ou commande mal réglée

Station sale

Problèmes d'arrivée ou d'évacuation d'air

Absence de traitement

Tuyaux pneuma-tiques longs

Soupapes à siège

Diamètre de tuyauterie insuffisant

Eau dans le réseau d'air comprimé

Entreprises étudiées (en %)

63 %

6 %

1 %

13 %

5 %

7 %

1 %

1 %

3 %

Optimisation des coûts et fi abilité durablesChapitre 14

Les pages 22 à 33 présentent les points à prendre en compte pour la création d’une station ou la moder-nisation d’un réseau d’air comprimé existant, et les méthodes de plani-fi cation d’une station performante. Mais il ne suffi t pas d’être attentif à la consommation d’énergie et aux coûts pendant la phase d’étude et d’installation de la station. Pour que l’alimentation en air comprimé soit durablement économique, il faut surtout optimiser le rendement du système.

L’utilisateur a intérêt à assurer un ren-dement maximal de sa station pour trois raisons : pour améliorer la sécurité de son alimentation en air comprimé, abaisser ses coûts d’air comprimé et réduire sa facture d’énergie. Les potentiels de rendement sont impor-tants : selon l’étude européenne SAVE II, les compresseurs d’air européens ont consommé près de 80 milliards de kilowatts-heure en 2000, dont 30 % pourraient être économisés (fi g. 1).

1. Qu’est-ce qu’un rendement optimal ?Le rendement d’un système d’air com-primé se refl ète dans sa structure de coûts. L’optimum réalisable varie

suivant l’entreprise et le type de pro-duction. Il est conditionné par le temps de marche des compresseurs, la pres-sion de service et certains paramètres commerciaux.

Prenons l’exemple d’une station d’air comprimé optimisée, refroidie par air : durée de fonctionnement 5 ans, tarif de l’électricité 0,08 €/kWh, pression de ser-vice 7 bar, qualité d’air comprimé selon ISO 8573-1 : huile résiduelle classe 1, poussière résiduelle classe 1, eau rési-duelle classe 4. Cet exemple montre que même dans des conditions opti-males, la consommation énergétique

est le premier poste de dépense avec 70 % des coûts totaux d’air comprimé (fi g. 2). Une étude menée en 2003 par l’institut universitaire de technologie de Coburg a recensé les anomalies dans les stations d’air comprimé d’Allemagne (fi g. 3, p. 35).

2. Pérenniser le rendementL’utilisateur qui souhaite préserver durablement le rendement de son alimentation en air comprimé doit res-pecter quelques points importants.

2.1 L’entretien conditionnelLes commandes de compresseurs comme le SIGMA CONTROL et les systèmes de gestion comme le SIGMA AIR MANAGER 4.0, basés sur un PC industriel informent précisément l’uti-lisateur des intervalles d’entretien des composants de la station d’air com-primé. L’utilisateur peut donc effectuer l’entretien de manière conditionnelle et préventive pour réduire ses coûts d’entretien. Il améliore en même temps la fi abilité et le rendement de son ali-mentation en air comprimé, et par conséquent sa propre productivité.

2.2 Des équipements pneumatiques adaptésL’utilisateur cherche à faire des écono-mies aussi bien du côté de la production que de la consommation d’air com-primé, mais d’un côté comme de l’autre, certaines économies sont trompeuses, comme celle qui consiste à acheter des machines de production certes moins chères à l’achat mais qui nécessitent une pression de service relativement élevée. L’augmentation de pression et/ou l’extension du réseau d’air com-primé nécessaires auront vite dépassé la différence de prix d’achat par rap-port à une machine qui se contente par exemple d’une pression de service de 6 bar. Lors de l’acquisition de machines de production il faut donc prendre en compte non seulement l’alimentation électrique mais aussi l’alimentation en air comprimé.

2.3 Nouvelles exigences dues à des changements de production2.3.1 Consommation d’air comprimé

a) Réorganisation de la productionLes variations de consommation sont fréquentes dans de nombreuses entreprises. Or elles sont souvent mal prises en compte et il peut arriver, à l’issue d’une réorganisation de la pro-duction, que certains compresseurs soient sous-utilisés alors d’autres doivent répondre à une demande d’air comprimé qui épuise les réserves de sécurité. Il faut donc adapter en per-manence l’approvisionnement en air comprimé aux changements des struc-tures de production.

b) Extension de la productionDans ce cas, il ne suffi t pas d’adapter la puissance des compresseurs, il faut aussi redimensionner les tuyaute-ries et le traitement de l’air comprimé. S’il est prévu d’augmenter la capacité de production en installant une nou-velle machine, il est recommandé de

Fig. 1 : Part des compresseurs dans la consommation énergétique des systèmes d’entraînement électrique industriels dans l’UE (Source : SAVE II (2000))

Fig. 2 : Structure des coûts d’un système d’air comprimé optimisé

Fig. 3 : Analyse des résultats des audits d’air menés par Kaeser pour la campagne sur l’efficacité énergétique de l’air comprimé (original en allemand) Mémoire de fin d’études d’Anja Seitz, Institut universitaire de technologie Coburg, département Construction mécanique (2003)

Autres moteurs

Pompes

Compresseurs

Ventilateurs

Compresseurs frigorifi ques

Systèmes de transport

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3736

SIGMA AIR CONTROL plus Contact /Service

Réglages

Etat de la station

Pression réseau actuelle

Données de la station

Historique des signalisations

Historique données process

Coûts

►

Consultation de données

Coûts énergétiques : Tableau

Coûts énergétiques : Graphique

Coûts totaux

Coûts totaux

Prêt

3:Entretien 1152.02 € 4:Entretien 1617.35 € 5:Panne 0.00 € 6: Autres 348.98 €6: Autres 0.00 €6: Autres 0.00 €6: Autres 0.00 €6: Autres 0.00 €

Sous-total 2934.49 €

1:Charge 15347.80 € 2:Marche à vide 296.45 €

Total 18762.60 €

Enregistrer

1:Charge 15347.80 €2:Marche à vide 296.45 €

Coûts en charge/à vide

Coûts généraux :

Coûts : €

15347.80 € 81.80 %

1:Charge

348.98 € 1.86 %

4:Autres

296.45 € 1.58 %

2:Marche à vide

0.00 € 0.00 %

5:Panne

1152.02 € 6.14 %

3:Entretien

1671.35 € 8.62 %

4:Matières

Période visualisée (1 an maxi)du au

Affi chages

Début de l´enregistrement : 00:00:10

Réinitialiser l'heure : Changer d'unité monétaire :

SIGMA AIR MANAGER 8/4

1 2 3 4 5 6 7 8

F1 F2 F3 F4 F5 F6

2


Réglages

Etat de la station





Coûts


► Charge/marche à vide

Entretien/Avertissement

Défaut

Fonctionnement localMode de fonctionnement...

Pression réseau................

Pression requise................

Pression maxi....................

Pression mini.....................

Débit..................................

STATION AUTO

6.25 bar

6.15 bar

7.41 bar

5.79 bar

3 150 m³/min

1: SK 19

2: ASD 32

3: BSD 62

4: SK 19

Date Heure État Signalisation N°

15.04.11 Heure KQ SEPARATEUR D'HUILE Garage 176


Réglages

Etat de la station




Historique données process►

Coûts


Puissance spécifi que

Débit

Pression réseau

Etats du compresseur

Puissance en charge / à vide

Puissance totale

Entrées analogiques –Courbe temporelle

Entrées analogiques – Représentation cumulée

Pression réelle

Pression requise

pt

bar

bar

bar

6.24

6.15

5.95

Moyenne

Minimum

Stabilité

bar

bar

%

6.38

6.14

99.6

Pression réseau

6.70

6.60

6.50

6.40

6.30

6.20

6.10

6.00

5.9013:00:0020.04.11

11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 Temps

Pression / bar

20.04.11 14:19:10Heure

Prêt

Zoom -Y 1 heureX 15.06.10 11:05:005

0


13:00:0020.04.11

13:30:00 13:45:00 14:00:00 14:26:20 Temps

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.0013:15:00

Réglages

Etat de la station





►

Coûts



Débit

Pression réseau



Puissance totale



Débit

Débit / m³/min

Prêt

1 heureX5

0

Heure 14:26:20 m³/min3.150Débit


Réglages

Etat de la station





►

Coûts

Consultation de

données


Débit

Pression réseau



Puissance totale



Valeur réelle

Valeur de référence

Heure

kW/m³/min

kW/m³/min

5.22

5.85

Moyenne

Minimum

kW/m³/min

kW/m³/min

5.32

5.14


7.00

6.50

6.00

5.50

5.00

4.5011:05:0015.06.10

11:30:00 11:45:00 12:00:00 12:15:00 12:30:00 Heure

Puissance spécifi que / kW/m³/min

6.3Valeur affi chée maxi :

Prêt

Zoom +Y 1 heureX5

0

11:44:50

EnregistrerkW/m³/min

Fig. 5a : Système de gestion : analyse des coûts d'air comprimé (basée sur le Web)

Fig. 5e : Puissance spécifique nécessaire

Fig. 4 : Recherche de fuites par ultrasons

Fig. 5b : Courbe de pression

Fig. 5d : Consommation d'air comprimé

Fig. 5c : Aperçu général : commande et système de gestion

Pérenniser la fi abilité et l’optimisation des coûtsChapitre 14

mesurer au préalable la consommation d’air comprimé de la machine existante de la manière la plus précise possible pour pouvoir adapter l’alimentation.

2.3.2 Sécurité d’alimentationChaque station comprend générale-ment un compresseur de secours, mais il est rarement prévu des réserves de sécurité pour le traitement de l’air com-primé. Lorsque la consommation d’air augmente, le compresseur de secours se met en marche, mais la qualité de l’air comprimé se dégrade faute d’une capacité de traitement suffi sante. Il faut

donc prévoir une unité de traitement (sécheur, fi ltre) par compresseur de secours.

2.3.3 Nouvelles exigences qualitativesSi l’air comprimé doit répondre à des exigences qualitatives plus strictes, il faut discerner si le changement concerne l’ensemble de la produc-tion d’air comprimé ou seulement un tronçon du réseau. Dans le premier cas, il ne suffi t pas de renforcer le sys-tème de traitement d’air comprimé au sein de la station. Il faut nettoyer ou remplacer les tuyauteries qui transpor-taient l’air de plus basse qualité. Dans le second cas, on mettra en place un

système de traitement décentralisé, apte à fournir la qualité d’air requise. Il faudra prévoir un régulateur de débitpour éviter qu’un débit trop important ne « déborde » le système de traitement qui n’est évidemment pas prévu pour le débit maximum des compresseurs.

2.4 Maîtriser les fuitesUn réseau d’air comprimé, même bien entretenu, présente des fuites qui peuvent parfois entraîner des pertes d’énergie considérables. L’usure des outils, des fl exibles et des composants mécaniques est

la première cause de fuite (fi g. 4). Il faut donc surveiller les signes d’usure et y remédier le cas échéant. Il est également recommandé d’effectuer périodiquement un calcul des fuites totales, avec le SIGMA AIR MANAGER par exemple. S’il fait apparaître une augmentation des fuites, il faut les rechercher et les éliminer.

3. Gérer les coûtsLes données issues de l’analyse des besoins pendant la phase d’étude sont intéressantes pour l’exploitation ultérieure. Après réactualisation, elles

peuvent être utilisées par des systèmes tels que le SIGMA AIR MANAGER, sans nouvelle analyse. Elles servent de base à des audits et à une ges-tion effi cace des coûts d’air comprimé (fi g. 5a à 5e). Si de plus en plus d’utilisa-teurs mettent de la transparence dans leurs coûts d’air comprimé, explorent des gisements d’économies et privi-légient le rendement énergétique lors de leurs achats d’équipements, c’est l’ensemble des acteurs qui se rappro-chera de l’objectif global de réduire d’au moins 30 % la consommation d’énergie pour la production d’air comprimé – et les entreprises soulageront leurs bilans tout en réduisant leur empreinte environnementale.

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Conseils pratiquesConseils n° 1 - 7

4140

Outil raccordé par un flexible spiralé – pression 6,0 bar en l'absence de consommation d'air 4,0 bar pendant le fonctionnement de l'outil = perte de charge de 2 bar : plus que 54 % de puissance !

Faire des économies par une pression optimaleConseil n° 1

Une bonne pression de service est une condition primordiale pour avoir un réseau d’air comprimé écono-mique. En la matière, des mesures simples peuvent se révéler très effi caces.

L’alimentation des outils pneumatiques est généralement prévue de la manière suivante : lorsque l’outil est arrêté, la pression est de 6,1 bar sur l’unité d’en-tretien et de 6,0 bar sur l’outil. Cette pression n’est toutefois pas celle qui s’applique lorsque l’outil consomme l’air comprimé.

Perte de charge au niveau de l’outil – Que faire ? La mesure de la pression sur l’outil en service fait souvent apparaître une perte de charge importante. Dans l’exemple présent, cette perte est de 2 bar, autrement dit l’outil ne déve-loppe que 54 % de sa puissance.

Les causes sont souvent simples à éliminer :

a) Section de raccordement trop faible : utiliser un raccord rapide de plus grande section.

b) Manodétendeur mal réglé : l’ouvrir plus grand.

c) Pression réseau trop basse : aug-menter la pression réseau ou installer des tuyauteries de plus grande section.

d) Flexible spiralé trop petit: utiliser un fl exible spiralé plus gros, ou de pré-férence un fl exible lisse.

e) Perte de charge du décanteur décentralisé : centraliser le séchage de l’air comprimé (décanteur superfl u).

Les mesures ci-dessus permettent d’obtenir la pression optimale (en l’occurrence 6 bar) sur l’outil pneuma-tique qui développera 100 % de sa puissance.

La bonne manière d’économiser de l’énergieOn sous-estime souvent l’impact des manodétendeurs sur le rendement de l’air comprimé. Prenons l’exemple d’un réseau d’air comprimé de 8 à 10 bar. Les 7,5 à 9,5 bar aux points de consommation sont abaissés à 6 bar par les manodétendeurs. Pour écono-miser de l’énergie, l’utilisateur réduit la

pression réseau entre 6,8 et 7 bar pour avoir 6,1 bar aux points de consomma-tion, mais la pression sur les outils n’est plus que de 4 bar. Conséquences : des temps de travail allongés, des résultats médiocres dus à un manque de pression de l’outil, et des temps de marche plus longs des compresseurs. L’économie visée est simple à obtenir, d’une part en réduisant la pression réseau, mais aussi en utilisant des fl exibles lisses, en éliminant les décanteurs superfl us et en ouvrant davantage les manodé-tendeurs sur les outils pneumatiques.

Vanne d’arrêt

Unité d’entretien avec manodétendeur

Flexible spiralé

Régulateur

Outil arrêté6,1 bar

6,0 bar/4,0 bar

... abaisser la pression réseau et ouvrir plus grand les manodétendeurs

Pression à l’outil pneumatique 6 bar

6,8 à 7,0 bar Pression réseau réduite

Un pur gaspillage d’énergie : définir une pression trop haute pour la réduire ensuite au niveau de l’outil

8 à 10 bar Pression réseau réduite

Les décanteurs et les flexibles spiralés sont énergivores : centraliser le séchage de l’air comprimé et utiliser des flexibles lisses

Plus grande ouverture du manodétendeur

Pression sur l’équipement pneumatique 6 bar

Pression aux points de consom-mation

7,5 à 9,5 bar

Vanne d’arrêt

Unité d’entretien avec manodétendeur

Flexible lisse

Régulateur

Outil arrêté6,1 bar

6,0 bar

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4342

La bonne pression à l’utilisationConseil n° 2

L’air comprimé est à la bonne pres-sion dans la station mais il arrive à une pression trop basse aux outils pneumatiques. Pourquoi ?

La cause se situe souvent au niveau des fl exibles, des raccords rapides ou des manodétendeurs. Mais il est égale-ment fréquent que la pression soit déjà insuffi sante au niveau de la conduite de descente. Au lieu des 6,8 à 7 bar disponibles au départ, il ne reste plus que 5 bar pour l’alimentation des outils pneumatiques.

Le remède est généralement vite trouvé : « Nous n’avons qu’à augmenter la pression de 1 bar dans la station ! » Mais cela ne va pas sans poser de pro-blèmes car une élévation de pression de 1 bar entraîne non seulement une augmentation de 6 % de la consom-mation d’énergie de la station, mais également une forte augmentation du débit de fuite. Il est donc nettement pré-férable de trouver la cause du problème et d’y remédier.

Perte de charge du réseau de tuyauterieSi la pression en aval du compresseur est normale et que les composants de traitement ne la font pas chuter, le pro-blème ne peut se trouver qu’au niveau du réseau de tuyauterie. Celui-ci se décompose en trois parties : la conduite principale, la conduite de distribution et les descentes (fi g.1). Dans un système d’air comprimé optimisé, les pertes de charge suivantes sont acceptables du point de vue économique :

Conduite principale (1) : 0,03 barConduite de distribution (2) : 0,03 barDescente (3) : 0,04 barÀ quoi s’ajoutent :Sécheur (4) : 0,2 barUnité d’entretien/fl exible (5) : 0,5 barTotal : 0,8 bar

Éliminer les goulots d’étranglementEn y regardant de plus près, on s’aper-çoit souvent que si les conduites principales et de distribution sont cor-rectement dimensionnées, la section des descentes est souvent insuffi sante. Leur diamètre ne doit pas être inférieur à DN 25 (1“). KAESER propose, sur

son site, un outil de calcul des sections de tuyauterie : www.kaeser.fr/Online_Services/Toolbox/Pressure_drop/pipe_ diameter.aspIl existe également un nomogramme spécial à cet effet. Vous le trouverez à l’annexe 1, p. 54.

Veiller à un raccordement approprié Pour éviter des défauts et des dom-mages dus à une éventuelle présence d’humidité, les piquages sur la conduite de distribution seront réalisés en col de cygne pour favoriser l’écoulement de l’air (fi g. 2). On ne choisira un piquage vertical direct (fi g. 3). que s’il est abso-lument garanti qu’il ne se formera pas de condensats dans la tuyauterie. La page 40 montre un exemple de rac-cordement optimisé qui limite à 1 bar maxi la perte de charge entre la sortie du compresseur et l’outil pneumatique.

Fig. 1 : Les principaux composants du circuit de distribution d’air comprimé Conduite principale (1), conduite de distribution (2), descente (3), sécheur (4), bloc FRL/flexible (5)

Fig. 2 : Col de cygne

Fig. 3 : Descente droite

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4544

Fig. 1 : Réseau en peigne

Fig. 2 : Boucle

Fig. 3 : Réseau maillé

Fig. 5 : Alimentation en air comprimé avec deux stations et une régulation centralisée pour plusieurs ateliers

Fig. 4 : Alimentation en air comprimé avec une station centrale pour plusieurs ateliers

Distribuer l’air compriméConseil n° 3

Entre un réseau en peigne, circulaire ou maillé, le choix de l’architecture du réseau de distribution dépend de la confi guration du site. Pour que l’utilisation de l’air comprimé soit économique, il ne suffi t pas de le produire de manière économe en énergie, il faut aussi le distri-buer le plus effi cacement possible dans l’entreprise. Vous trouverez ci-dessous quelques pistes pour y parvenir.

Réseau en peigne :Le réseau en peigne avec des descentes desservant les outils pneu-matiques (fi g. 1) est assez simple à réaliser. La longueur de tuyauterie à poser est relativement faible, mais la tuyauterie doit offrir une capacité de transport suffi sante pour la consomma-tion d’air comprimé totale. Autrement dit, elle doit avoir une sec-tion nettement plus grande que pour un réseau circulaire ou maillé. Il faut également prévoir des descentes plus longues, et par conséquent plus grosses, car les distances à couvrir jusqu’aux outils pneumatiques sont plus importantes. Comme ce type de réseau ne permet pas d’isoler des tron-çons de tuyauterie en cas d’extension ou de maintenance, il est plutôt réservé aux petites entreprises.

BoucleBien que plus compliquée à installer, la boucle (fi g. 2) présente un gros avan-tage par rapport au réseau en peigne : si tous les outils alimentés nécessitent le même débit d’air, les longueurs et diamètres de tuyauteries peuvent être divisés par deux. Des sections plus petites suffi sent pour la même capa-cité de transport. Les descentes sont courtes et rarement supérieures à DN 25. Des vannes prévues en nombre suf-fi sant permettent d’isoler des tronçons de tuyauterie, ce qui permet de réaliser des travaux d’extension ou de mainte-nance sans interrompre l’activité.

Réseau mailléLes entreprises dont les locaux s’étendent sur de grandes superfi cies choisiront de préférence un réseau maillé – autrement dit un réseau cir-culaire complété par des conduites longitudinales et transversales (fi g. 3). De tous les types de réseaux, le réseau maillé est le plus compliqué à mettre en place, mais les avantages l’emportent sur sur cet inconvénient : le maillage permet d’alimenter de grands ate-liers de manière fi able et économe en énergie sans avoir à surdimensionner les tuyauteries. Au contraire, il auto-

rise des sections relativement faibles, comme pour le réseau circulaire dans une petite ou moyenne entreprise. Au besoin, ce réseau peut également être isolé partiellement avec des vannes.

Dimensionnement de la conduite principaleLa conduite principale du réseau d’air comprimé relie les conduites de distribution des différents secteurs (bâtiments) de l’entreprise à la station d’air comprimé (production).Le dimensionnement de la conduite principale dépend du débit total des

compresseurs utilisés. C’est lui qui détermine les dimensions et la capacité de la conduite. La perte de charge ne doit pas dépasser 0,03 bar.

Alimentation par une seule stationSi plusieurs secteurs de l’entreprise (ateliers de production) sont alimentés par une seule station d’air comprimé, il faut dimensionner la conduite prin-cipale de chaque secteur en fonction de la consommation maximale de ce secteur (perte de charge < 0,03 bar). Les tuyauteries peuvent être réunies dans un collecteur dans la station d’air comprimé, ce qui permet de couper facilement l’alimentation de certains secteurs en cas de besoin. Cela permet également, en intégrant des débitmètres, de relever facilement les consommations des différents secteurs (fi g. 4).

Alimentation par plusieurs stationsSi deux stations ou plus alimentent un grand réseau de conduites principales, il faut dimensionner les tuyauteries de manière à ce que le débit maximal de la plus grande des stations puisse arriver dans tous les secteurs desservis. La perte de charge entre les stations ne doit pas dépasser 0,03 bar. Dans le cas contraire, il faut prévoir des systèmes de régulation complexes(fi g. 5).

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4746

Fig. 1 : Station d'air comprimé avec collecteur

Fig. 4 : Raccordement du compresseur avec un flexible

Fig. 3b : Raccordement du compresseur avec des compensateurs axiaux

Fig. 3a : Raccordement (par le haut) du sécheur frigorifique et du purgeur de condensats

Fig. 2 : Tuyauterie avec un point bas muni d'un purgeur de condensats

vec un point bas muni d'un sats

Les tuyauteries de la station d’air compriméConseil n° 4

En plus de leur rôle de distribution de l’air comprimé, les tuyauteries servent à relier les compresseurs et les autres composants de la station au réseau. Quelques aspects impor-tants sont à prendre en compte lors de l’installation pour assurer une sécurité de fonctionnement et une effi cacité énergétique maximales.

En général, les tuyauteries à l’intérieur de la station d’air comprimé doivent être dimensionnées de manière à limiter à moins de 0,01 bar leurs pertes de charge à plein débit. Du fait des contraintes thermiques impossibles à défi nir, il est conseillé d’utiliser exclusi-vement des tuyaux métalliques.

Raccordement des conduites de distributionIl est conseillé de raccorder les tuyau-teries de la station à un collecteur d’où partiront toutes les conduites de distri-bution (fi g. 1.1). En cas de besoin, cela permet d’isoler des secteurs précis de l’entreprise.

Tuyauterie dans la partie d’air comprimé humideDans la partie de la station où l’air com-primé est humide, autrement dit entre la sortie des compresseurs et l’entrée des sécheurs, il faut, dans la mesure du possible, éviter les points bas. Sinon, il faut poser la tuyauterie avec une pente vers le point bas et prévoir un purgeur de condensats à cet endroit (fi g. 2).

Raccordement des composantsDans la station, les composants (com-presseurs, sécheurs, etc.) sont à raccorder à la conduite principale par le haut. Les tuyaux à partir de DN 100 peuvent aussi être raccordés latérale-ment (fi g. 3 a/b).

Raccordement des compresseursLes compresseurs doivent être rac-cordés au réseau de tuyauterie avec des compensateurs élastiques pour

éviter la propagation des vibrations. Pour les tuyaux < DN 100, le raccorde-ment élastique peut être réalisé avec des fl exibles (fi g. 4). Une fi xation sera prévue entre le fl exible et le premier coude du tube rigide pour compenser les forces et éviter qu’elles ne se trans-mettent à la tuyauterie (fi g. 4.1). Pour les tuyaux > DN 100, le raccordement antivibratoire du compresseur au réseau de tuyauterie sera réalisé avec un compensateur axial (fi g. 3b) et non avec un fl exible.

Élimination fi able des condensatsL’élimination fi able des condensats est l’une des conditions essentielles pour la sécurité de fonctionnement et la disponibilité de la station d’air com-primé. Il est donc important de ne pas faire d’erreur, surtout dans la pose des conduites de condensats.

Les tuyaux de raccordement au sys-tème de traitement des condensats sont souvent mal posés, nuisant à l’effi cacité des systèmes de purge. Les conseils suivants vous permettront d’éviter ces écueils :

Point bas

Distributeur

Isoler les purgeurs de condensatsLes purgeurs de condensats doivent être équipés des deux côtés d’une vanne pour les isoler du réseau lors des opérations d’entretien (fi g. 2.1).

Bien dimensionner les raccordsLe raccord du collecteur doit mesurer au moins 0,5 pouce pour éviter une pression dynamique inutile.

Raccorder les conduites par le hautIl faut raccorder les conduites de condensats au collecteur par le haut pour que les points de purge restent indépendants les uns des autres (fi g. 3a (1)).

Conduite en pente et à la pression atmosphériqueLe collecteur doit présenter une pente pour évacuer les condensats par gra-vité. Il doit par ailleurs être à la pression atmosphérique pour permettre l’arrivée de condensats provenant de purgeurs d’équipements qui fonctionnent à des pressions différentes (séparateur cyclo-nique, réservoir, sécheur frigorifi que, fi ltre à air comprimé). Si ce n’est pas le cas, il faut utiliser les raccords de l’appareil de traitement des condensats (Aquamat).

Plusieurs appareils de traitementSi les quantités de condensats à éva-cuer nécessitent plusieurs appareils de traitement, il faut les raccorder à la conduite principale par un distributeur (fi g. 1.2).

Pression réseau supérieure à 15 barPour les systèmes dont le niveau de pression est supérieur à 15 bar, une chambre de détente séparée est à pré-voir avant l’entrée des condensats dans l’appareil de traitement.

Fig. 1.1

Fig. 1.2

Fig. 2.1

Fig. 3a (1)

Fig. 4.1

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4948

Fig. 1 : Structure du système d'arrivée d'air

Bien installer les compresseursConseil n° 5

Ventiler la station d’air compriméConseil n° 6

Les conditions d’installation et d’environnement infl uent consi-dérablement sur la fi abilité et le rendement de la production d’air comprimé. Trois règles essentielles sont à respecter.

1. Une station propreLa propreté et l’entretien laissent sou-vent à désirer, même si toutes les stations d’air comprimé ne ressemblent pas à la fi g. 1. Assurer la propreté de la station consiste en premier lieu à éviter

la poussière, faute de quoi les fi ltres d’aspiration des compresseurs se col-materont rapidement, ce qui nécessitera des entretiens fréquents et entraînera une baisse de puissance et un mauvais refroidissement. Un environnement poussiéreux provoquerait non seule-ment des dysfonctionnements dus à une surchauffe des compresseurs, mais aussi une chute de la puissance de séchage et par conséquent une présence d’humidité importante qui endommagerait les outils pneuma-tiques et nuirait à la qualité des produits fabriqués. Si la poussière est inévitable à l’emplacement choisi, il faut dépous-siérer l’air d’aspiration avec des fi ltres grandes poussières (fi g. 2a, 2b).

2. Un local bien tempéréEn hiver, la station d’air comprimé doit être maintenue hors-gel : avant d’être traité, l’air comprimé produit et trans-porté est humide et les condensats gelés dans la tuyauterie perturbe-raient gravement le fonctionnement du

système. Par ailleurs, les huiles et la graisse des roulements des com-presseurs perdent de leur pouvoir lubrifi ant à des températures inférieures à +5 °C, ce qui est également suscep-tible de nuire au bon fonctionnement des compresseurs. En été au contraire, il faut extraire la chaleur dégagée par les compresseurs pour que, dans la mesure du possible, la température du local ne dépasse pas la température extérieure. Dans le cas contraire, les moteurs et les composants électriques risquent de surchauffer. Les sécheurs ne pourraient plus assurer leur fonction du fait d’un refroidissement insuffi sant de l’air comprimé, d’où la formation de condensats avec les dommages qu’ils causent aux outils pneumatiques. Dans le pire des cas, l’accumulation de cha-leur due à une ventilation insuffi sante du local compresseurs conduit à l’arrêt

complet des compresseurs et des sécheurs et donc à la défaillance géné-rale de l’alimentation en air comprimé.Les systèmes de refroidissement qui gèrent automatiquement la tempéra-ture de la station permettent d’éviter ces problèmes en régulant l’arrivée, l’évacuation et la circulation de l’air de refroidissement (fi g 3).

3. Une station facile à entretenirLes compresseurs et les appareils de traitement modernes nécessitent un entretien relativement réduit, mais mal-gré tout indispensable. Il faut donc les positionner de manière à pouvoir accé-der facilement à tous les points d’entre-tien. La production d’air comprimé ne peut être assurée de manière fi able et effi cace que si les trois critères ci-des-sus sont correctement pris en compte.

Une ventilation bien étudiée contribue à la disponibilité de l’air comprimé et permet de réduire les frais d’entretien de la station.

1. Des prises d’air bien placéesL’emplacement des prises d’air est très important pour la ventilation de la sta-tion d’air comprimé. Pour des raisons de sécurité de fonctionnement et de fi abilité, l’air amené de l’extérieur doit être le moins possible assujetti aux conditions météorologiques. Il est donc conseillé de percer les prises d’air dans un mur extérieur non exposé au soleil et dans la partie inférieure du mur, à l’abri des intempéries.

2. À l’abri de la poussière et des polluantsL’air aspiré doit contenir le moins de poussière et de polluants possibles, tels que des substances agressives et combustibles ou encore des gaz d’échappement de moteurs thermiques. Il faut donc exclure la circulation de poids lourds de la zone d’aspiration d’air de la station. Si la poussière et les polluants ne peuvent être évités dans le périmètre de la station, il faut prendre des mesures de protection appropriées. Les fi ltres à air de refroidissement per-mettent de remédier à une pollution modérée. Dans les cas extrêmes, il faut recourir au captage des poussières.

3. Dimensionnement et équipement des prises d’airLa taille des prises d’air dépend tout d’abord de la puissance des com-presseurs refroidis par air. La section passante doit être de 0,02 à 0,03 m² par kilowatt de puissance nominale installée, soit un débit d’air de refroidis-sement de 130 à 230 m³/h.La notion de « section passante » est importante car le passage est consi-dérablement restreint par les grilles de protection contre les intempéries, les registres et les fi ltres requis pour pallier de mauvaises conditions d’aspiration.

Selon le système de ventilation, la réduction peut aller de 30 à 60 %, d’où l’importance de choisir des systèmes de ventilation qui favorisent la circulation de l’air. Les rétrécissements de section dus aux dispositifs de protection et de réglage doivent être compensés. En général, un système de prise d’air (fi g. 1) est constitué d’une grille à ven-telle contre les oiseaux et contre la pluie, d’un registre motorisé et éven-tuellement d’un fi ltre. Lorsque la station compte plusieurs compresseurs, il est recommandé de prévoir une com-mande thermostatée des systèmes

d’arrivée d’air et de répartir leurs ouver-tures en fonction de l’emplacement et de la puissance des différents com-presseurs (fi g. 2).

4. Ventiler les compresseurs refroidis par eauLes compresseurs refroidis par eau nécessitent eux aussi une ventilation suffi sante car ils sont généralement équipés de moteurs à refroidissement par air et dissipent de la chaleur. La chaleur à évacuer avec l’air de refroi-dissement représente environ 20 % de la puissance installée d’un compres-seur refroidi par eau. Il faut donc veiller là aussi au dimensionnement approprié des prises d’air.

Fig. 1 : Une station mal entretenue

Fig. 2a : Filtre grandes poussières (côté aspiration)

Fig. 2b : Filtre grandes poussières (côté compresseur)

Fig. 3 : Station d’air comprimé avec une ventilation thermostatée

Fig. 2 : Arrivée d’air dans la station d’air comprimé

Registre motoriséFiltre

Grille à ventelle contre les oiseaux

Grille à ventelle contre la pluie

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5150

Évacuer l’air de la station d’air compriméConseil n° 7

Une bonne évacuation de l’air est indispensable pour assurer la dispo-nibilité de l’air comprimé et maîtriser les coûts d’entretien de la station. Lorsque la température extérieure descend au-dessous de +5 °C, il faut limiter le refroidissement du local compresseurs par la reprise d’air chaud.

1. Gainage d’évacuation d’airLes gaines d’évacuation d’air jouent un rôle important dans la station en extrayant l’air chaud issu du refroidisse-ment des moteurs et des compresseurs (fi g.1). Sur les machines modernes, la chaleur dissipée par les divers com-posants est évacuée par une seule ouverture de sortie d’air (fi g. 1, zoom)qui est raccordée à la gaine d’évacua-tion par un manchon en toile (fi g. 2,). Ce système permet d’extraire l’intégra-lité de l’air chaud du local compresseurs lorsque la température extérieure dépasse +10 °C. Le cas échéant, il faut prévoir des gaines individuelles pour les compresseurs anciens qui com-portent plusieurs sorties d’air chaud.

2. Poser une gaine collectriceLorsque le local ne permet pas de poser des gaines séparées, la solution consiste à poser une gaine collectrice (fi g. 3). Des registres antiretour sont indispensables pour raccorder chacun

des compresseurs. En position fermée, ils empêchent l’air chaud de refl uer dans la station quand le compresseur est à l’arrêt. Les registres motorisés limitent la perte de charge et peuvent être commandés par le signal « Moteur en marche ». Des défl ecteurs dans la gaine collectrice évitent les pertes de charge.

3. Limiter le refroidissement du local par la recirculationLorsque la température extérieure est inférieure à +5 °C, les registres de recir-culation doivent s’ouvrir plus ou moins à partir d’une température intérieure de +10 °C (fi g. 1). Lorsque la station toute entière est temporairement arrêtée, un chauffage d’appoint maintiendra la température du local compresseurs au-dessus de +5 °C.

4. Évacuer l’air chaud des sécheurs frigorifi quesLa chaleur engendrée par les sécheurs frigorifi ques représente quatre fois leur puissance électrique absorbée. Ils ont donc besoin de leur propre système d’évacuation avec un ven-tilateur thermostaté (fi g. 1 et 3). Si la station compte plusieurs sécheurs frigorifi ques, le ventilateur doit être équipé d’une commande progressive qui sera activée à partir de +20 °C. La gaine d’évacuation d’air ne doit pas être posée directement sur le sécheur car le système d’évacuation d’air ne fonc-tionne pas en permanence.

5. Conception et commande des systèmes d’évacuation d’airTous les systèmes de sortie d’air doivent être conçus de manière à ce que leur perte de charge ne dépasse pas la réserve de pression de la plus petite machine (se reporter aux don-nées constructeur), faute de quoi l’air chaud de cette machine risquerait de refl uer dans le local compresseurs. Si la réserve de pression est insuffi sante,

il faut prévoir des ventilateurs supplé-mentaires. Les registres doivent être commandés automatiquement par des thermostats d’ambiance et par les compresseurs. Pour que les défauts de fonctionnement des registres puissent être détectés rapidement et transmis à un système de contrôle-commande, il est recommandé de les surveiller par une commande prioritaire (par exemple le SIGMA AIR MANAGER).

6. Le cas particulier du refroidissement par eauLes compresseurs refroidis par eau transforment environ 20 % de leur puissance installée en chaleur et ils nécessitent donc aussi un système d’évacuation d’air chaud approprié.

Fig. 3 : Système d’évacuation d’air avec une gaine collectrice pour tous les compresseurs

Fig. 2 : Raccordement du gainage par un manchon en toile

Fig. 1 : Système d’évacuation d’air avec une gaine par compresseur

Registres thermos-tatés

Ventilateurs

Gaine collectrice

Manchon en toile

Ventilateurs

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AnnexeAnnexe 1 - 2

5554

Longueur de tuyau en [m]

Débit

Diamètre inté-rieur du tuyau [mm]

Pression réseau [bar (eff.)]

Perte de charge[bar]

1

2

3

4

5

67 8

[m³/h] [m³/min]

10

20

50

100

200

500

1000

2000

5000

500

400

350

300

250

200

175

150

100

80

65

50

40

32

125

25

20

0,03

0,04

0,05

0,07

0,1

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

1,0

1,5

2

3

4567

101520

100

50

30

20

10

5

2,5

10000

5000

3000

2000

1000

500

300

200

100

AB

C D F F

E

Longueur de tuyau en [m]

Débit

Diamètre intérieur du tuyau [mm]

Pression réseau [bar (eff.)]

Perte de charge[bar]

[m³/h] [m³/min]

10

20

50

100

200

500

1000

2000

5000

500

400

350

300

250

200

175

150

100

80

65

50

40

32

125

25

20

0,03

0,04

0,05

0,07

0,1

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

1,0

1,5

2

3

4567

101520

100

50

30

20

10

5

2,5

10000

5000

3000

2000

1000

500

300

200

100

AB

C D F F

E

Nomogramme pour déterminer le diamètre intérieur des tuyauteries

Annexe 1

Ce nomogramme permet de dé-terminer le diamètre intérieur des tuyauteries d’air comprimé :Repérer tout d’abord la longueur de tuyau et le débit sur les axes A et B. Relier ces deux points par une droite dont le prolongement coupe l’axe C. Marquer ensuite la pression réseau

minimale et la perte de charge maxi-male admissible sur les axes E et G. La droite qui relie ces deux points coupe l’axe F. La droite qui passe par les inter-sections des axes C et F coupe l’axe D au point qui correspond à la section de tuyau nécessaire.

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5756

Type/modèle (sécheur,fi ltre, purgeur, etc.)

Dimensionné pourm³/min

Débit total des compresseurs existants qui seront réutilisés

= Vtotexistant

oui

Désignationde l’exploitant

Fabricant Type Pressionbar(eff.)

Débitm³/min

Est-il prévude les

réutiliser ?

2.

non

oui


Des compresseurs sont-ils déjà en service ?

non

m³/min

Composants de traitement existants :Fabricant

bar(eff.)Remarquesp. ex. “mal dimensionné”

Consommation d’air comprimé des outils et machines raccordés


Quel doit être le débit des compresseurs ?1.

1.1

Outils,machines

Consommation d’air par outil,

machinem³/min

Nombred’outils,

de machines

Taux de charge

%

Facteur desimultanéité

%

Consommation d’air effective

calculéem³/min

x x x

x x x

x x

x

x x x

x x

x

x x x

=

=

=

=

=

=

+

+

+

+

+

Consommation d’air de l’ensemble des outils

=

1.2

1.3

1.4

Autres équipements pneumatiques

Fuites du réseau d’air comprimé

Réserve

+

+

+

Voutils

Vautres

Vfuite

VRéserve

Vtot

m³/min

m³/min

m³/min

m³/min

m³/min=Débit mini nécessaire des compresseurs

Exemples de questionnaires pour le système d’économie d’énergie

Annexe 2

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KAESER – Présence globale

KAESER KOMPRESSOREN SEPostfach 2143 – 96410 Coburg – Allemagne – Tél. (0049 9561) 640-0 – Fax (0049 9561) 640-130www.kaeser.com – E-Mail: [email protected]

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Guide technique de l’air comprimé